Часть 1. В магнитосфере Земли, солнечных пятнах и магнитных паразитных термоядерных устройствах граница между плазмой и магнитным полем обозначена слоем диамагнитного тока с быстрым изменением давления плазмы и напряженности магнитного поля. Первые принципы численное моделирование было проведено для исследования этого пограничного слоя с пространственным разрешением за пределами электронного гирорадиуса при включении глобальной равновесной структуры. Обнаружено, что толщина пограничного слоя находится на уровне порядка масштаба электронного гиро радиуса за счет самосогласованного электрического поля, подавляющего гиромоцию ионов на границе. Сформированное в масштабе электронного гиро радия электрическое поле играет решающую роль в определении равновесной структуры и транспорта плазмы. Открытие подчеркивает необходимость включения физики электронного гиро радиуса в исследования, направленные на продвижение нашего понимания термоядерных устройств, магнитосферы и солнечных пятен.
Во многих плазменных системах плазма окружена магнитными полями, что приводит к увлекательному ряду природных и техногенных явлений. Образование плазменной струи из аккреционных дисков, магнитосферы Земли, солнечных пятен и устройств магнитного синтеза являются примерами взаимодействия плазмы с магнитными полями. Среди примеров плазменных диамагнитных эффектов можно назвать магнитопаузу в магнитосфере Земли, острые пограничные слои в магнитно-паразитных термоядерных устройствах и темные пятна солнечных пятен. В этих системах слой диамагнитного тока отмечает границу, через которую проникновение плазмы или потери в область магнитного поля значительно уменьшаются. Диамагнитный эффект в этих системах широко изучался, что привело к развитию магнитогидродинамики (МГД), стандартной модели для многих солнечных, астрофизических и термоядерных плазм за последние 50 лет.
Тем не менее, ab initio решение плазменных диамагнитных эффектов оставалось неуловимым с некоторыми из наиболее фундаментальных вопросов, на которые еще предстоит ответить. Например, не было получено окончательного ответа на вопрос о толщине слоя диамагнитного тока. Также неизвестны соответствующие вклады ионов и электронов в плазменный диамагнитный ток, так как существует значительная разница в их гиро радии, составляющая коэффициент 43 в случае ионов водорода при той же температуре, что и электроны. Отсутствие понимания остается, потому что мы все еще пытаемся понять динамику плазмы в масштабе электрона гирорадий, фундаментальный, но самый маленький, масштаб длины плазменного диамагнетизма. Хотя существует много теоретических и численных исследований для изучения структуры пограничного слоя, эти исследования были ограничены из-за геометрических сложностей и технических проблем и не смогли решить физику масштаба электронного гирорадиуса, включая глобальную равновесную структуру. В то же время ряд наблюдений указывает на важность таких масштабных явлений на границе электронов, как формирование электронного масштабного ионного потока в лабораторных магнитно-паразитных экспериментах. Недавно запущенная магнитосферная Многомасштабная миссия (MMS), предназначенная для проведения измерений плазмы в электронном масштабе, начала генерировать данные наблюдений в магнитопаузу, демонстрирующие важность электронной динамики в магнитном пере соединении и турбулентности.
Для исследования диамагнитного токового слоя на шкале электронного гиро радиуса мы использовали код частиц в ячейке первого принципа (PIC), называемый энергосберегающей полу явной моделью (ECsim), используя ее цилиндрическую координатную реализацию. ECsim имитирует бесстолкновительную плазму, решая уравнение Ньютона для движения частиц и уравнения Максвелла для электрических и магнитных полей, сохраняя при этом энергию системы. Моделирование проводилось для цилиндрически симметричной магнитной паразитной системы, известной как "штакетник", которая была предложена в качестве магнитной удерживающей системы для энергии слияния. В этой конфигурации магнитное поле вытесняется в пограничный слой, близкий к магнитам, в то время как область, заполненная плазмой, в основном лишена какого-либо магнитного поля: самый классический пример плазменного диамагнетизма. Эта конфигурация магнитного поля топологически напоминает магнитосферу дневной стороны Земли, где выпуклая кривизна дипольного магнитного поля Земли обращена к солнечному ветру. В этой переходной области, называемой магнитошиной, плазма имеет гораздо более высокую плотность и более низкое магнитное поле, чем магнитосферная сторона ближе к Земле. Другой пример сильного диамагнетизма в астрофизике - это солнечные пятна, где, область с низкой плотностью и высоким магнитным полем выглядит как темное пятно на фотосфере и окружена средой с более высокой плотностью и более низким магнитным полем. Во всех этих примерах кривизна магнитного поля направлена таким же образом, как и градиент плотности: высокая плотность находится на выпуклой стороне изогнутых линий магнитного поля: линии магнитного поля огибают область более низкой плотности более высокого магнитного поля. В этих условиях плазма устойчива к смене режимов, мотив, почему магнитосфера и солнечные пятна являются стабильными чертами и почему концепция магнитного острия привлекательна в качестве устройства удержания магнитного синтеза.
Продолжение следует...