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磁重联漫谈(7):Petschek模型 精选

已有 9053 次阅读 2009-12-9 15:12 |个人分类:学海无涯|系统分类:科研笔记| 拓扑, 磁重联, 日耀斑

Sweet-Parker模型虽然很成功,但是存在一个致命的问题:磁重联的速率太慢。事实上,太阳大气等离子体的电阻率大约在1/1010-12,由此得到的重联率vxh 1/210-5-10-6 Alfvén速度,远远不能解释像日耀斑这样的快过程。

 

人们注意到Sweet-Parker模型重联率所以相对比较慢,原因是其重联区的拓扑结构近似是一维的,即我们前面说的:“等离子体携带磁力线进入‘扩散区’的方向(‘入流’方向,通常选作为x-方向)上的特征尺度远远小于磁力线重联以后携带等离子体离开‘扩散区’的方向(‘出流’方向,通常选作为y-方向)的特征尺度。”这样,由于“出口”太小、“进口”太大,导致已经“merging”到扩散区附近的磁力线的“排队等候”,物理学家用的词汇叫magnetic fluxpiled up”。(这样的过程会在重联区形成很薄的强电流片,其物理效应我们以后再谈。)因此,有人(Petschek1964)提出一种“快”磁重联模型:认为重联区的拓扑是呈具有X分形线的二维结构,这样入流区(在y-方向上的)长度与出流区(在x-方向上的)宽度大约在同一个数量级。而出流的“喇叭口”形状会形成一个如钱江潮的“慢激波”(道理相似,但相对运动方向相反)。根据这个“slow shock”(慢激波)上下游的连接条件,可以得到磁重联的速率

 

                            vx- ln h >> h 1/2 >> h

 

这个几乎与电阻无关的重联率基本上可以很好解释日耀斑这样的快过程。

 

但是人们后来发现,在Petschek模型的物理讨论所依赖的电阻磁流体框架下,无法得到X型的磁场几何结构,除非电阻很大—— h  > 10-3 W. Park, et al, 1984: Phys. Fluids 27, 137; D. Biskamp, 1986: Phys. Fluids 29, 1520; Z. W. Ma et al, 1995: Phys. Plasmas 2, 8。而对于这么大的电阻,- ln h h 1/2的重联率几乎没有可以明显区分的差别!而在对应实际物理世界的电阻很小、Sweet-ParkerPetschek这两种模型的结果有可以明显区分的差别的情况下,1980年代以后发展的高精度的数值模拟结果告诉我们:即使初始条件取Petschek模型的磁场分布,我们也总是得到Sweet-Parker的电流片几何位形和h 1/2的重联率!

 

后来人们才意识到:尽管Petschek模型的磁场拓扑结构是出于增大重联率的正确考虑,但是使用的电阻磁流体的物理模型是错误的!正确的快磁重联模型依赖于1990年代无碰撞磁重联理论的发展。



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