Magnetorotationaalinen epävakaus

Magnetorotational instabiliteetti (MRH)  on magneettikentässä pyörivän johtavan nesteen epävakaus . Pyörivän nesteen stabiilisuutta ilman magneettikenttää tutkivat Couette (Couette, 1890) [1] , Mallock (Mallock, 1896) [2] , Rayleigh (1917) [3] , Taylor (Taylor, 1923) [4] . Pyörivän nesteen stabiilisuuden paikalliset olosuhteet voidaan saada seuraavista näkökohdista. Valitsemme mielivaltaisen nesteelementin (tilavuuselementin) kerroksesta, joka sijaitsee jollain etäisyydellä pyörimisakselista, ja siirrämme tätä elementtiä sädettä pitkin. Uudessa asennossa, alhaisella viskositeetilla (eli korkealla Reynolds-luvulla ), elementti säilyttää liikemäärän , joka on verrannollinen atsimuutin nopeuteen. Elementin lisäliike sädettä pitkin riippuu siihen vaikuttavan keskipakovoiman ja tämän kerroksen painegradientin välisestä suhteesta. Tasapainotilassa painegradientti tasapainottaa ympäröivään nesteeseen vaikuttavaa keskipakovoimaa. Jos ympäröivällä nesteellä on pienempi kulmamomentti, tasapainopainegradientti ei riitä pitämään siirrettyä elementtiä tässä kerroksessa ja epävakaus kehittyy. Näin ollen virtaus osoittautuu epävakaaksi, jos kulmamomentti (massayksikköä kohti) putoaa säteen mukana ( Rayleighin kriteeri )

Eri asia on, jos neste osoittautuu johtavaksi ja joutuu magneettikenttään. Tarkemmin sanottuna harkitse hyvin johtavan nesteen (suuri magneettinen Reynoldsin luku ) pyörimistä magneettikentän suuntaisen akselin ympäri. Kun tilavuuselementtiä siirretään, magneettikentän viiva jäätyy alkuperäiseen kerrokseen ja elementin kulmanopeus säilyy. Virtauksen stabiilisuuden kannalta on välttämätöntä, että kulmanopeus ei pienene säteen mukana (Velikhov, 1959) [5] ts.

Tätä ehtoa ei voida täyttää maailmanlaajuisesti, koska nopeus jossain ylittää valon nopeuden . Tässä tapauksessa kriteeri ei riipu magneettikentän suuruudesta. Magneettikenttä horjuttaa virtausta tiettyyn raja-arvoon asti. Vahva magneettikenttä stabiloi virtausta magneettisten voimalinjojen jännityksen vuoksi.

Luonnossa magnetorotaatiosta epävakautta havaitaan ilmeisesti Maan nestemäisessä ytimessä ( Velikhov , 2005) [6] , tähdissä , esimerkiksi Auringossa (Ruediger, 2004) [7] , akkretiolevyissä (Balbus ja Hawley, 1991) [8] . Maan nestemäisessä ytimessä epävakauden lähde voi olla nesteytimen termisen ja kemiallisen konvektion aiheuttama differentiaalinen pyöriminen . Differentiaalinen kierto aiheuttaa magneettikentän muodostavan MRI - kuvan. Kenttä puolestaan ​​eliminoi differentiaalisen pyörimisen. Tämän seurauksena näiden kahden prosessin vuorovaikutus todennäköisesti selittää magneettikentän jaksoittaiset häiriöt, joiden ominaisaika on luokkaa 10 000 vuotta, joita erottavat pitkät jaksot (satoja tuhansia vuosia) kentän vakaasta olemassaolosta. Auringossa magneettikuvaus saa 70 prosenttia auringosta pyörimään kiinteänä kappaleena (Ruediger) [7] .

Vetokeskukseen putoavan aineen mekanismin selittämisen ongelmana on se, että vaikka kulmamomentti säilyy, akkretiolevyssä oleva keskipakovoima ei salli aineen putoamista keskustaan. Vuonna 1973 N. I. Shakura ja R. A. Sunyaev ehdottivat mallia erittäin turbulenttisesta akkretion kiekosta, jonka viskositeetti on verrannollinen äänen nopeuteen ja kiekon paksuuteen [9] . Vuonna 1991 Balbus ja Hawley ehdottivat, että magneto-rotaatio epävakaus aiheuttaa tämän turbulenssin [8] . MRI tulee tarkkailla pyörivissä galakseissa ja muissa maailmankaikkeuden pyörivissä esineissä. Jos koko maailmankaikkeudessa tapahtuu globaali kierto, sen pitäisi johtaa globaalin magneettikentän ilmestymiseen.

Magneto-rotaatioepävakautta tutkitaan parhaillaan kokeellisesti useissa laboratorioissa: Marylandin yliopistossa (D. Lathrop, Maryland, USA), A. I. Leipunsky Institute of Physics and Power Engineeringissä (IPPE) (Obninsk, Venäjä), Princetonin yliopistossa . (Princeton, USA). MRI :n tarkkailemiseksi on välttämätöntä saavuttaa riittävän suuria (merkittävästi yksikköä suurempia) magneettisia Reynolds-lukuja käyttämällä nestemäistä natriumia nesteenä. Suurin installaatio luotiin Marylandin yliopistossa (D. Lathrop, Maryland, USA) - pyörivä pallo, jonka halkaisija on 4 metriä. Toinen ongelma liittyy alkunopeusprofiilin luomiseen epävakauden tutkimista varten. Magneettikenttä johtaa toissijaisten virtausten ilmaantumiseen, ja korkeat Reynolds-luvut johtavat hydrodynaamisen turbulenssin virittymiseen. SSC RF IPPE:ssä (Obninsk, Venäjä) pyörimistä virittää magneettikentän poikki kulkeva virta, mikä voi mahdollistaa toisiovirtojen ja hydrodynaamisen turbulenssin sulkemisen pois . Voidaan toivoa, että lähitulevaisuudessa on mahdollista tutkia kokeellisesti magnetohydrodynaamisen turbulenssin syntyä ja kehitystä.

Linkit

  1. ↑ M. Couette, Etudes sur le frottement des liquides , Annales de Chimie et de Physique. Voi. 6 (1890), 433-510.
  2. ↑ A. Mallock, Nesteen viskositeetin kokeet , Lontoon kuninkaallisen seuran filosofiset tapahtumat. Sarja A, 187 (1896), 41.
  3. ↑ L. Rayleigh, Pyörivien nesteiden dynamiikasta , Proceedings of the Royal Society of London. Sarja A voi. 93, nro. 648 (1. maaliskuuta 1917), 148-154.
  4. ↑ G.I. Taylor, Kahden pyörivän sylinterin välissä olevan viskoosin nesteen stabiilisuus , Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Sarja A, 223 (1923), 289-343.
  5. ↑ E. P. Velikhov, Ihanteellisesti johtavan nesteen virtauksen stabiilisuus pyörivien sylintereiden välillä magneettikentässä , Journal of Experimental and Theoretical Physics (JETF). Osa 36 (1959), 1399.
  6. ↑ E. P. Velikhov, Magnetic Geodynamics , JETP Letters. Osa 82, nro. 11 (10. joulukuuta 2005), 785-790.
  7. ↑ 1 2 G. Ruediger ja R. Hollerbach, The Magnetic Universe . WILLEY-VCH, 2004.
  8. ↑ 12 S.A. _ Balbus ja JF Hawley, Tehokas paikallinen leikkauksen epävakaus heikosti magnetoituneissa levyissä: I. Linear Analysis , Astrophysical Journal. Voi. 376 (1991), 214.
  9. ↑ NI Shakura ja RA Sunyaev, Mustat aukot binäärijärjestelmissä. Havaintoilmiö , tähtitiede ja astrofysiikka. Voi. 24 (1973), 337.