Структура электродинамических сил, ускорение плазмы и генерация

обратных токов в токовых слоях

А.Г. Франк, Н.П. Кирий, С.Н. Сатунин

Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН

 VI Конференция «Физика плазмы в солнечной системе»

в рамках Программы ОФН-15 РАН «Плазменные процессы в солнечной системе»

18 февраля 2011 г.

Цели и задачи исследований

= Изучение динамики токовых слоев и процессов магнитного пересоединения на основе лабораторных экспериментов позволяют сопоставлять структуру магнитных полей, электрических токов и электродинамических сил, с одной стороны, с параметрами плазменных потоков, которые ускоряются в пределах слоя, с другой стороны.

= В лабораторных экспериментах были зарегистрированы направленные движения плазмы со сверхтепловыми скоростями, которые можно, по-видимому, интерпретировать как аналог корональных выбросов массы (CME). Эти исследования дают возможность приблизиться к пониманию физической природы динамических явлений в атмосфере Солнца.

Основные задачи данной работы:

= Определение пространственно-временных характеристик электрического тока и электродинамических сил на основе анализа магнитных полей токовых слоев, развивающихся в различных условиях;

= Регистрация направленных потоков плазмы, которые генерируются в токовых слоях;

= Сопоставление направленных скоростей и энергий плазменных потоков с работой сил Ампера; выявление характерных особенностей ускорения плазмы.

Schematic of the CS-3D device

= 2D magnetic field B = {-hy; -hx; 0} with the null-line at the z-axis, h 1 kG/cm;

= Guide field Bz aligned with the null line: Bz 8 kG;

= Superposition of B and Bz forms a 3D magnetic configuration with the X line;= Vacuum chamber: quartz, 18 cm, L = 100 cm, is filled with a gas: He, Ar, Kr or Xe; = The initial plasma, Ne

0 = 1014 1016 cm-3, is produced by -discharge;

= Both magnetic fields and the initial plasma are uniform in the z-direction: ∂/∂z = 0; = Current along the X line: Jz 100 kA, T / 2 = 6 s, results in current sheet formation;

= Diagnostics: magnetic probes, interference-holography; spectroscopy, X-ray detectors.

Cross-section Side view

Propagation of the magneto-acoustic wave and the in-plane plasma motions in the vicinity of the X line

Magnetic field with the X line:

B = {-hy; -hx; BZ}

Perturbations of the magnetic field propagate as a converging magneto-acoustic wave (MAW) toward the X line in the (x, y) plane.

A typical time interval for MAW propagation is defined by the local Alfven velocity:

tA = (4NiMi)1/2 / h.

Plasma current: j = c /(4 ) rot B.

Plasma dynamics is controlled by the Ampere forces: f = 1/c [jB].

Excitation of jZ currents behind the front of

MAW brings about plasma compression in the y – direction and the outward motion in the x – direction.

Kr, p=36 mTorr; h=0.57 kG/cm; BZ0 = - 2.9 kG; JZ=70 kA

Formation of a current sheet in magnetic field with an X line

(in-plane component BX )

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8-3

-2

-1

0

1

2

3

0.5 μs 1.0 μs

1.5 μs

2.0 μs 3.0 μs

δB

kGx

,

y , cm

B = -h yx0

·

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8-1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

1.0 μs

1.5 μs2.0 μs

3.0 μs

y , cmδB

k G

z,

B = -2.9 kGz0

Amplification of the excess guide field BZ

A.G. Frank, S.G. Bugrov, V.S. Markov // Phys. Lett. A 373, 1460 (2009)

Structure of the magnetic force lines in the (x, y) plane:AZ = const; AZ = 103 Gcm

2D vacuum magnetic field

Ar 20 mTorr; h = 0.64 kG/cm; JZ = 65 kA; t = 1.9 s

In-plane magnetic field of the current sheet

-2 0 2 4 6

-4 -2 0 2 4 6

-4 -2 0 2 4 6

-2

-1

0

1

2

-2

-1

0

1

2

3

-1

0

1

2

Y, cm

X, cm

a

b

c

1 2 3 4 5 6 70

Ne, 10 cm15

2D distributions of plasma density at successive time moments

t = 2.95 μs

t = 3.95 μs

t = 4.35 μs

h = 0.43 kG/cm; BZ0= 2.9 kG; Ar filling, 28 mTorr; JZ

max = 50 kA

= Formation of a current sheet is accompanied by effective plasma compression into the sheet, with the maximum density  10 times higher than the initial density:

Nemax  1016 cm-3

= Plasma sheet can evolve in the 3D magnetic configuration, in the presence of the strong guide field BZ

0 along the X line.

Frank A G et al. Phys. Plasmas 12 052316 (2005)

0 2 4 6

0,0

0,1

0,2

0,3

Ne

Zef

fZeff

ArVI

ArV

ArIV

ArIIIArII

Ne,

1016

cm-3

;

t, s

Ni,

1016

cm-3

0

2

4

6

0 2 4 64

6

8

10

12

14

t, s

Te,

eV

As the temperature increases, Ar+1 and Ar+2 ions become depleted successively turning to higher ionization states.

As a result, the spectral lines Ar IV, Ar V, with Ar VI in some cases, should appear in the plasma emission spectrum. These lines, however, fall within a shorter-wavelength UV range (λ < 300 nm).

Time evolution of plasma parameters in the sheet midplane: Effective ion charge Zeff

Densities of argon ions Ni (Ar+1 ÷ Ar+5)

Electron density Ne

Electron temperature Te

Voronov G.S. et al. Plasma Phys. Rep. 34, 999 (2008)

h = 430 G/cm; Ar, 28 mTorr; Jz

max= 70 kA

Current distribution in the (x,y) plane is characterized by 2 different sizes: x /y  6 15

Ar, 20 mTorr; h = 0.64 kG /cm; JZmax = 65 kA; t = 1.9 s

In-plane magnetic field components BX, BY and current density jZ in the current sheet

Distributions along the sheet width (x-axis), y = 0.8 cm

Distributions along the sheet thickness (y-axis), x = 0.8 cm and x =-5 cm

Evolution of the current density jz0 in the CS midplane and

the y-dimensions of CS at the levels 0.5jz0 and 0.1jz

0

Ar, x = 0.8 cm

He, x = 0.8 cm He, x = -5 cm

Ar, x = -5 cm

Scheme of two-channel spectral measurements with the use of a Nanogate 1-UF fast programmable CCD camera

Øz  1.5 cm

Øx  2.5 cm

Time behavior of the ion temperature Ti and

averaged energy of plasma flows Wx

Ar, 28 mTorr, h = 0.5 kG/cm, Jz  75 kA

Kyrie N.P. et al. Plasma Phys. Rep.36, 357 (2010)

= Ti, Te, Zi,av are maximum in

the sheet midplane and increase with time;

= Ti > Te

= The plasma is in transverse equilibrium (along the y-axis) with the magnetic field:

Ne (Te+Ti /Zi) + (BZ)2 /8

 BX2 /8;   1

The Ampere force Fx acting along the current sheet surface

 = 1.2 cm

Iz (x) = – c /2  {BxJ (x) – [By

J (x)/ x]  }; jz (x) = Iz (x) / 2

Fx (x) = fx (x)  2 = -1/c Iz (x)  ByT (x); By

T = hx + ByJ

h = 0.57 kG/cm BZ

0= 0 (2D)

Ar, 28 mTorr JZ  100 kA;

t  1.9 s

Fxmax  6105 dynescm-2

Plasma acceleration along the current sheet surface

MiNidv/dt = -p + 1/c[jB]

= p is negligible along the current sheet surface (x-direction).

= In the 2D magnetic configurations (Bz = 0) the Ampere forces fx сome to

play only in the presence of the normal magnetic field component ByT :

fx = 1/c[jB]x ≡ -1/c(jz ByT)

= The average density of the Ampere force fX (x) was calculated on the basis of

magnetic measurements:

fx(x) -1/cIz (x)ByT(x) / 2

fX(x)dx NiWX 3.51017 eVcm-3

At Ni 31015 cm-3 WXmax 115 eV.

= The time interval for accelerating the Ar(+1) ions is 3-5 s.

= These estimations correlate with the measured energy of the Ar ions and the typical acceleration time.

Comparison between HeII 4686 Å and HeII 3203 Å line profiles observed in the x- and z-direction

HeII 4686 Å

HeII 3203 Å

x-direction z-direction

z = 2.4 Åx = 6.0 Å

z = 1.6 Åx = 4.6 Å

He,  320 mTorr; h = 500 G/cm; Bz=0;

Jzmax = 70 kA;

t  3 s

Тепловые и направленные скорости ионов HeII в токовых слоях,

He,  320 mTorr; h = 0.5 kG/cm; Bz=0; Bz = 2.9 kG

Jzmax = 70 kA

Ne0  (0.91.3)1016 cm

-3 Ne

x  3.41016 cm-3

Ti  50 eV

Wx  400 eV (Bz= 0)

развивающихся в 2D магнитном поле (Bz = 0)

или в 3D магнитной конфигурации (Bz = 2.9 kG)

Н.П. Кирий и др. Труды ФАС-XIX, С.59-67 (2009)

SLs: HeII 468.6 nm; HeII 320.3 nm

The Ampere force Fx acting along the surface of a

current sheet formed in the He plasma

 = 1.2 cm

Iz (x) = – c /2  {BxJ (x) – [By

J (x)/ x]  }; jz (x) = Iz (x) / 2

Fx (x) = fx (x)  2 = -1/c Iz (x)  ByT (x); By

T = hx + ByJ

h = 0.5 kG/cm BZ

0= 0 (2D)

He, 320 mTorr JZ  70 kA;

t  2.1 s

Fxmax  3.5105 dyncm-2

x - 4.4 cm 

The y-dependence of the Ampere force fx (y) at x = -5 cm

At the CS midplane (y = 0) there is a maximum in the current density jz (y), and a

minimum in the value of the normal component ByT (y).

The force fx (y) = -1/c jz (x)  ByT (x) can have a local minimum near the

midplane.

We might expect effective plasma acceleration where plasma density is lower than at the CS midplane, i.e. at some distance along the y – axis. h = 0.63 kG/cm; Ar, 28 mTorr; JZ  70 kA; BZ

0= 0

Ampere force fx (y) and plasma density Ne (y) at x = -5 cm

He, 320 mTorr h = 0.5 kG/ cm Jz

max = 70 kA

The Ne (y) distribution is very narrow as compared with the fx (y) distribution, so that the

low-density plasma at wings of the Ne (y) distribution can be effectively accelerated

Distributions of the current Iz (x) at successive times.

Development of reverse currents

Ezi 1/c(vx By

T)

h = 0.63 kG/cm Ar, 28 mTorr JZ  70 kA

t = 2.3 s

t = 3.5 s

t = 4.5 s

t = 5.0 s

Evolution of the currents Iz (x) integrated over

one-half the sheet (- R  x  0)

Jz(+) =  Iz

(+)(x)dx - direct currents

in the region (xR  x  0);

Jz(-) =  Iz

(-)(x)dx - reverse currents

in the region (-R  x  xR);

Jz(S) =  Iz(x)dx - the total current

in the whole region (-R  x  0).

xR(t) – the x-coordinate where the current Iz (x) reverses its direction:

Iz (xR ) = 0.

t, s

The current Iz (x) is concentrated

in the region y   = 0.8 cm h = 0.63 kG/cm Ar, 28 mTorr JZ  70 kA

Magnetic structure of current sheets, by S.I. Syrovatskii, JETP 1971

A current sheet with the reverse currents at the edges

A current sheet without the reverse currents

Заключение = В экспериментах по изучению динамики токовых слоев и процессов магнитного пересоединения была исследована эволюция магнитных полей, что позволило определить основные особенности структуры электрических токов и электродинамических сил.

= Измерены температуры ионов, электронов и энергии направленных движений плазмы. Обнаружены потоки плазмы, которые движутся вдоль поверхности токового слоя с энергиями, значительно превышающими тепловую энергию ионов.

= Проведен анализ пространственной структуры сил [jB] и показано, что под действием этих сил должно происходить постепенное увеличение кинетической энергии направленного движения ионов вдоль поверхности токового слоя.

= В результате энергия ионов у боковых концов слоя может достигать 100 эВ, что согласуется с непосредственно измеренными энергиями потоков плазмы при формировании слоя в Ar.

= Обнаружено, что у боковых краев слоя возникают токи обратного направления по отношению к основному току, протекающему в центральной области слоя.

= = Генерация обратных токов и их усиление со временем свидетельствуют о новых динамических эффектах в токовых слоях, возникающих при движении потоков плазмы в сильном поперечном магнитном поле, что, в свою очередь, приводит к изменению магнитной структуры слоя.

Спасибо за внимание!

Coronal Mass Ejections (CME) X-ray images of the Sun recorded with

the SPIRIT device mounted on the Coronas-F satellite.

Experimental device CS-3D Institute of General Physics, Moscow, Russia

 100 cm 

Distributions over the current sheet thickness of the tangential magnetic field component BX(y), current

density jZ(у) and excess guide field BZ (у)

Ar, 28 mTorr; h = 0.57 kG/cm; BZ

0 = 4.3 kG;  JZ  70 kA

= The excess guide field BZ (у)

is localized only in the regions where the basic current jZ flows.

= The excess guide field BZ is

supported by additional plasma currents in the (x, y) plane.

= The total current on one side of the current sheet, JX  57 kA,

is of the same order as the total basic current along the X line, which gives rise to the current sheet formation, JZ   70 kA.

-3 -2 -1 0 1 2 3-3

-2

-1

0

1

2

3

-6

-4

-2

0

2

4

6

Bx , kGBz jz kA/cm2

2.6 μs

0 1 2-1-2

0

-1

-2 -4

-2

0

2

42

1

y

xfy

fy

fxfx

Iz

fy(2 )

fy(2 )

fx(2 )fx

(2 )I

IB//

Plasma dynamics in 3D magnetic field with the X-line and the guide field Bz

Deterioration of the current and plasma compression due to amplification of the guide field in the sheet

Compression of the current, plasma and

the guide field Bz

into the sheet

0,0

1,0

2,0

3,0

0,40,8

1,2 02

40

4

8

12

0,40,8

1,21,6 0

24

0,00,4

0,8 0

24 0,0

0,4

0,8 02

4

Ne T

e

Ar II Ar III

h = 430 G/cm; Ar, 28 mTorr; Jzmax = 70 kA

Voronov G.S. et al. Plasma Phys. Rep. 34, 999 (2008)

Ar+1 and Ar+2 ions are depleted in the sheet midplane with increasing Te and Ne

Te was determined from

time behaviour of various spectral lines by using the SIMPTOS code including the processes of ionization, excitation and plasma flows.

Spatiotemporal evolution of plasma parameters under study: Intensity of spectral line Ar II 480.6 nm (Ar+1 ions)

Intensity of spectral line Ar III 379.5 nm (Ar+2 ions)

Electron density Ne and electron temperature Te