Влияние сжимаемости и вращения на образование динамо-эффекта в замагниченной турбулентной космической плазме

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Обсуждается ключевая роль семейства инвариантов гидромагнитной спиральности в связи с генерацией и поддержанием магнитных полей в геофизическом и астрофизическом контекстах. Влияние сжимаемости и вращения на турбулентный перенос вещества в спиральных гидромагнитных течениях исследуется с помощью феноменологического подхода при очень высоких числах Рейнольдса. Флуктуирующие эффекты, входящие при этом в осредненные МГД-уравнения через их корреляционные вклады и представляющие собой гидромагнитное турбулентное напряжение, турбулентную электродвижущую силу и ряд других корреляционных функций, моделируются с помощью линейных замыкающих соотношений (при отсутствии отражательной симметрии мелкомасштабных движений) и дифференциальных уравнений для четырех спиральных идентификаторов хиральной турбулентности (дескрипторов), которыми являются: полная турбулентная энергия плазмы, турбулентная поперечная спиральность, турбулентная остаточная энергия и турбулентная остаточная спиральность. Считается, что модельные уравнения для этих дескрипторов, объединенные со сжимаемыми МГД-уравнениями среднего поля, позволяют наиболее полно сконструировать самосогласованную модель турбулентного динамо. Конечной целью предпринятого исследования является разработка моделей спиральной гидромагнитной турбулентности, способных эффективно работать в гиперзвуковом режиме.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Колесниченко

Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: kolesn@keldysh.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. де Гроот С., Мазур П. Неравновесная термодинамика. М.: Мир, 1964. 456 с.
  2. Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. М.: Мир, 1974. 304 с.
  3. Колесниченко А.В., Маров М.Я. Турбулентность и самоорганизация: Проблемы моделирования космических и природных сред. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. 632 с.
  4. Колесниченко А.В. К моделированию спиральной турбулентности в астрофизическом немагнитном диске // Астрон. вестн. 2011. Т. 45. № 3. С. 253–272. (Kolesnichenko A.V. On the simulation of helical turbulence in an astrophysical nonmagnetic disk// Sol. Syst. Res. 2011. V. 45. № 3. Р. 246–263.) https://doi.org/10.1134/S0038094611030026
  5. Колесниченко А.В. Термодинамическая модель сжимаемой магнитогидродинамической турбулентности космической плазмы // Препр. ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 2014a. № 61. 48 с. https://keldysh.ru/papers/2014/prep2014_61.pdf
  6. Колесниченко А.В. К теории инверсного каскада энергии в спиральной турбулентности астрофизического немагнитного диска // Препр. ИПМ им. М.В. Келдыша. 2014б. № 70. 36 с. https://keldysh.ru/papers/2014/prep2014_70.pdf
  7. Колесниченко А.В. Континуальные модели природных и космических сред: Проблемы термодинамического конструирования. М.: ЛЕНАНД, 2017. 400 с.
  8. Краузе Ф., Рэдлер К.-Х. Магнитная гидродинамика средних полей и теория динамо. М.: Мир, 1984. 314 с.
  9. Монин А.С., Яглом А.М. Статистическая гидродинамика. Т. 2. СПб: Гидрометеоиздат, 1996. 742 с.
  10. Пригожин И., Стенгерс И. Время. Хаос. Квант. К решению парадокса времени. М.: Издательская группа “Прогресс”, 1994. 240 с.
  11. Франк-Каменецкий Д.А. Физические процессы внутри звезд. М.: Физматлит, 1959. 543 с.
  12. Фридман А.М., Бисикало Д.В. Природа аккреционных дисков тесных двойных звезд: неустойчивость сверхотражения и развитая турбулентность // УФН. 2010. Т. 178. С. 577–604. https://doi.org/10.3367/UFNr.0178.200806b.0577
  13. Adumitroaie V., Ristorcelli J.R., Taulbee D.B. Progress in Favré-Reynolds stress closures for compressible flows // Phys. Fluids. 1999. V. 10. P. 2696–2719. doi: 10.1063/1.870130.
  14. Brandenburg A., Kandaswamy S. Astrophysical magnetic fields and nonlinear dynamo theory // Phys. Reps. 2005. V. 417. № 1–4. P. 1–209. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2005.06.005
  15. Сoroniti F.V. On the magnetic viscosity in Keplerian accretion disks // Astrophys. J. 1981. V. 244. P. 587–599.
  16. Favre А. Statistical Equations of Turbulents Gases // Problems of Hydrodynamics and Continuum Mechanics. Philadelphia: SIAM, 1969. P. 231–267.
  17. Hamba F. Turbulent dynamo effect and cross helicity in magnetohydrodynamic flows // Fhys. Fluids. 1992. V. 4. P. 441–450. https://doi.org/10.1063/1.858314
  18. Hawley J.F., Balbus S.A. A powerful local shear instability in weakly magnetized disks. II. Nonlinear evolution // Astrophys. J. 1991. V. 376. P. 223–233. https://doi.org/10.1086/170271
  19. Kolesnichenko A.V., Marov Ya. The effect of spirality on the evolution of turbulence in the solar protoplanetary cloud // Sol. Syst. Res. 2007. V. 41. P. 1–18. https://doi.org/10.1134/S0038094607010017
  20. Kolesnichenko A.V., Marov M.Ya. Thermodynamic model of MHD turbulence and some of its applications to accretion disks // Sol. Syst. Res. 2008. V. 42. № 3, P. 226–255. doi: 10.1134/S0038094608030040
  21. Kolesnichenko A.V. To the theory of helical turbulence of a nonmagnetic astrophysical disk. Formation of large-scale vortex structures // Sol. Syst. Res. 2024. V. 58. № 4. P. 1–23. https://doi.org/10.1134/S0038094624700229
  22. Lazarian A., Vishniac E.T. Reconnection in a weakly stochastic field // Astrophys. J. 1999. V. 517. P. 700–718. https://doi.org/10.1086/307233
  23. Liou W.W., Shih T-H., Duncun B.S. A multiple-scale model for compressible turbulent flows // Phys. Fluids. 1995. V. 7. № 3. P. 658–666. https://doi.org/10.1063/1.868588
  24. Marov M.Ya., Kolesnichenko A.V. Turbulence and self-organization. Modeling astrophysical objects. Springer, 2013. 657 p.
  25. Matthaeus W.H., Minnie J., Breech B., Parhi S., Bieber J.W., Oughton S. Transport of cross helicity and radial evolution of Alfvenicity in the solar wind // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31. Id. L12803 (4). https://doi.org/10.1029/2004GL019645
  26. Moffatt H.K. The degree of knottedness of tangled vortex lines // J. Fluid Mech. 1969. V. 35. P. 117–129. https://doi.org/10.1017/S0022112069000991
  27. Moffatt H.K. Excitation of Magnetic Field in Conducting Medium. Moscow: Mir, 1980. 339 p.
  28. Oughton S., Prandi R. Kinetic helicity and MHD turbulence // J. Plasma Phys. 2000. V. 64. P. 179–197. https://doi.org/10.1017/S0022377800008424
  29. Parker E.N. Hydromagnetic dynamo models // Astrophys. J. 1955. V. 122. P. 293–314. https://doi.org/10.1086/146087
  30. Pouquet A., Frisch U., Leorat J. Strong MHD helical turbulence and the nonlinear dynamo effect // J. Fluid Mech. 1976. V. 77. P. 321–334. https://doi.org/10.1017/S0022112076002140
  31. Sur S., Brandenburg A. The role of the Yoshizawa effect in the Archontis dynamo // Mon. Notic. Roy. Astron. Soc. 2009. V. 399. P. 273–280. https://doi.org/10.1111/j.1365-2966.2009.15254.x
  32. Steenbeck M., Krause F., Rädler K.-H. Berechnung der mittleren Lorentz-Feldstärke für ein elektrisch leitendes Medium in turbulenter, durch Coriolis-Kräfte beeinfluβter Bewegung // Z. Naturforsch. 1966. B. 21a. S. 369–376. https://doi.org/10.1515/zna-1966-0401/
  33. Yokoi N. Large-scale magnetic fields in spiral galaxies viewed from the cross-helicity effects // Astron. and Astropys.1996. V. 311. P. 731–745. arXiv: 1112.1237v2 [astro-ph.SR] 4 Mar 2013.
  34. Yokoi N. Magnetic-field generation and turbulence suppression due to the cross-helicity effects // Phys. Fluids. 1999. V. 11. P. 2307–2316. https://doi.org/10.1063/1.870093
  35. Yokoi N. Modeling of the turbulent magnetohydrodynamic residual-energy equation using a statistical theory // Phys. Plasmas. 2006. V. 13. Id. 062306 (17 p.). https://doi.org/10.1063/1.2209232
  36. Yokoi N. Modeling the turbulent cross-helicity evolution: production, dissipation, and transport rates // J. Turbulence. 2011. V. 12. № 27. P. 1–33. https://doi.org/10.1080/14685248. 2011. 590495
  37. Yokoi N. Cross helicity and related dynamos // Geophys., Astrophys. and Fluid Dyn. 2013. V. 104. P. 114–184. https://doi.org/10.1080/03091929.2012.754022
  38. Yokoi N. Electromotive force in strongly compressible magnetohydrodynamic turbulence // J. Plasma Phys. 2018. V. 84. Id. 735840501. https://doi.org/10.1017/S0022377818000727
  39. Yokoi N., Yoshizawa A. Statistical analysis of the effects of helicity in inhomogeneous turbulence // Phys. Fluids. A. 1993. V. 5. P. 464–447. https://doi.org/10.1063/1.858869
  40. Yokoi N., Hamba F. An application of the turbulent magnetohydrodynamic residual-energy equation model to the solar wind // Phys. Plasmas. 2007. V. 14. № 11. Id. 12904-1-16. https://doi.org/10.1063/1.2792337
  41. Yokoi N., Rubinstein R., Yoshizawa A., Hamba F. A turbulence model for magnetohydrodynamic plasmas // J. Turbulence. 2008. V. 9. № 37. P. 1–25. https://doi.org/10.1080/14685240802433057/
  42. Yoshizawa A. Statistical analysis of the deviation of the Reynolds stress from its eddy-viscosity representation // Phys. Fluids. 1984. V. 27. P. 1377–1387. https://doi.org/10.1063/1.864780
  43. Yoshizawa A. Statistical theory for magnetohydrodynamic turbulent shear flows // Phys. Fluids. 1985. V. 28. № 11. P. 3313–3320. https://doi.org/10.1063/1.865329
  44. Yoshizawa A. Self-consistent turbulent dynamo modeling of reversed field pinches and planetary magnetic fields // Phys. Plasmas. B. 1990. V. 2. P. 1589–1600. https://doi.org/10.1063/1.859484
  45. Yoshizawa A. Turbulent magnetohydrodynamic dynamo: Modeling of the turbulent residualhelicity equation // J. Phys. Soc. Jpn. 1996. V. 65. № 1. P. 124–132. https://doi.org/10.1143/JPSJ.65.124/
  46. Yoshizawa A. Hydrodynamic and Magnetohydrodynamic Turbulent Flows: Modelling and Statistical Theory. Dordrecht, Netherlands: Kluwer Academic, 1998. 410 p.
  47. Yoshizawa A. Statistical analysis of mean-flow effects on the pressure-velocity correlation // Phys. Fluids. 2002. V. 14. № 5. P. 1736–1744. https://doi.org/10.1063/1.1466823
  48. Yoshizawa A., Yokoi N. Turbulent magnetohydrodynamic dynamo for accretion disks using the cross-helicity effect // Astrophys. J. 1993. V. 407. P. 540–548. https://doi.org/10.1086/172535
  49. Yoshizawa A., Liou W.W., Yokoi N., Shih T-H. Modeling of compressible effects on the Reynolds stress using a Markovianized two-scale method // Phys. Fluids. 1997. V. 9. № 10. P. 3024–3036. https://doi.org/10.1063/1.869412
  50. Yoshizawa A., Yokoi N., Kato H. Turbulent magnetohydrodynamic dynamo based on alpha and cross-helicity effects, with special reference to geomagnetic fields // Phys. Plasmas. 1999a. V. 6. P. 4586–4596. https://doi.org/10.1063/1.873746
  51. Yoshizawa A., Yokoi N., Itoh S.-I., Itoh K. Magnetohydrodynamic mechanisms of electric-field transport suppression and plasma-rotation generation, with special reference to tokamak's reversed-shear confinement // Phys. Plasmas. 1999b. V. 6. № 8. P. 3194–3206. https://doi.org/10.1063/1.873559
  52. Yoshizawa A., Kato H., Yokoi N. Mean field theory interpretation of solar polarity reversal // Astrophys. J. 2000. V. 537. P. 1039–1053. https://doi.org/10.1086/309057
  53. Yoshizawa A., Itoh S.-I., Itoh K., Yokoi N. Dynamos and MHD theory of turbulence suppression // Plasma Phys. Control. Fusion. 2004. V. 46. R25–R94. https://doi.org/10.1088/0741-3335/46/3/R01
  54. Zhou Y., Matthaeus W.H., Dmitruk P. Colloquium: Magnetohydrodynamic turbulence and time scales in astrophysical and space plasmas // Rev. Mod. Phys. 2004. V. 76. P. 1015–1035. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.76.1015

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025