Теоретики описали разные режимы конвекции в плазме
Коллектив российских исследователей из Института космических исследований РАН и МФТИ развил теорию холловской магнитогидродинамики так, чтобы она могла описывать тепловую конвекцию в частично ионизованной плазме с учетом вязкости и теплопроводности.
Тепловая конвекция — это процесс, при котором более горячее и легкое вещество поднимается вверх, а более холодное и тяжелое опускается, формируя циркуляционные потоки. В астрофизике и космической физике конвекция определяет перенос энергии и вещества в недрах и атмосферах звезд, в том числе Солнца, в ионосферах Земли и других планет, а также в аккреционных дисках вокруг компактных объектов. В лабораторных условиях от нее зависят режимы работы термоядерных установок и плазменных технологий, применяемых, например, для обработки материалов. Когда в таком объекте присутствует сильное магнитное поле, конвекция превращается в магнитоконвекцию: движение зарядов и поток тепла уже нельзя описать, игнорируя влияние линий магнитного поля.
Во многих реальных системах плазма смешана с обычным газом, и тогда говорят о частично ионизованной плазме. В такой среде одновременно существуют три типа частиц: электроны, ионы и нейтральные атомы или молекулы. У каждой компоненты свои скорость, температура, вязкость и теплопроводность, а столкновения и обмен теплом между ними делают картину крайне сложной. Если пытаться описывать такую систему «по честному», отдельно прописывая уравнения для каждой компоненты, получается громоздкая и трудно применимая модель, особенно когда нужно учитывать тонкие эффекты вроде вязкого трения, теплопроводности и диффузии зарядов.
Холловская магнитогидродинамика (МГД) вместо трех отдельных «жидкостей» рассматривает одну эффективную, в уравнения которой встроены ключевые эффекты многокомпонентности — холловский ток и амбиполярная диффузия. Холловский ток возникает, когда электроны и ионы начинают двигаться по разному в магнитном поле, а амбиполярная диффузия описывает совместную диффузию зарядов на фоне нейтрального газа. В новой работе авторы обобщили систему уравнений холловской магнитогидродинамики для частично ионизованной плазмы, в которой доминирует нейтральная компонента, и аккуратно включили в эту картину вязкость и теплопроводность. Работа опубликована в журнале Physics of Plasmas.
Самой сложной частью стало корректно перейти от набора уравнений для энергии (или энтропии) каждой отдельной компоненты к одному уравнению для центра масс всей смеси. При этом важно было не потерять информацию о том, как энергия рассеивается из за вязкости и теплопроводности и как идет теплообмен между компонентами. Ключевое допущение состоит в том, что температура электронов и ионов в итоге подтягивается к температуре нейтрального газа. То есть нейтральная компонента работает как общий термостат для всей среды: она определяет температуру, а частые столкновения и обмен теплом быстро сглаживают различия.
При таком подходе удается ввести понятие энтропии центра масс плазмы по аналогии со скоростью центра масс. Закон сохранения энергии переписывается в виде одного эффективного уравнения для «суммарной» энтропии, в котором аккуратно учтены вклады от всех компонент и их различий. Авторы показали, что при доминировании нейтральных части по массе это уравнение можно записать в одножидкостной форме без потери ключевой физики.
Дальше эту теорию применили к классической задаче Рэлея—Бенара — конвекции в слое жидкости, нагреваемом снизу. В этой модели в роли «жидкости» выступает частично ионизованная плазма, к которой приложено вертикальное магнитное поле; дополнительно можно учитывать вращение системы, что приближает модель к реальным астрофизическим условиям.
На основе полученных уравнений исследователи сформулировали задачу о гидродинамической неустойчивости слоя частично ионизованной плазмы, нагреваемой снизу. Их интересовал момент, когда покоящийся слой становится неустойчивым и в нем появляются конвективные ячейки, а также то, как быстро растет эта неустойчивость. Ученым удалось получить аналитическую формулу для скорости роста неустойчивости и выделить режимы, в которых доминируют разные комбинации диффузионных процессов.
Новая теория и полученные зависимости имеют широкий круг потенциальных применений. В солнечной атмосфере частичная ионизация и амбиполярная диффузия играют ключевую роль в формировании тепловых неустойчивостей, связанных, в частности, с «корональными дождями», в которых охлажденная плазма конденсируется и падает по магнитным линиям. В молекулярных облаках межзвездной среды наличие нейтрального газа влияет на то, как вещество сопротивляется собственной гравитации, что важно для понимания процессов звездообразования.
В лабораторных установках плазма газового разряда также частично ионизована, и нейтральный газ определяет ход плазмохимических реакций и распределение тепла, что критично для технологий обработки материалов и перспективных биомедицинских приложений холодной плазмы.
Тигран Галстян, аспирант кафедры космической физики МФТИ, прокомментировал суть работы: «Мы привыкли считать частично ионизованную плазму слишком сложным объектом, где каждая компонента живет по своим законам и требует отдельного описания. Наш подход показывает, что, правильно выбрав переменные и учитывая роль нейтрального газа как термостата, можно свести эту сложную картину к компактной теории с несколькими ключевыми параметрами. Это не только облегчает расчеты, но и делает физическую картину более прозрачной: легче понять, какие процессы на самом деле управляют развитием конвекции».
Зная, как порог неустойчивости и скорость роста конвективных мод зависят от числа Чандрасекара и диффузионных параметров, можно заранее прогнозировать, в каких режимах конвекция будет запускаться или подавляться. В дальнейшем подобные модели могут помочь лучше интерпретировать астрономические наблюдения, оптимизировать лабораторные эксперименты и проектировать новые установки, где важно управлять тепловыми и магнитными режимами плазмы.
Telegram 
Дзен 
VK Полифенолы и другие соединения заваренного кофе в лабораторной модели связывались с ядерным рецептором NR4A1, который участвует в ответе клеток на стресс, воспаление и повреждение. Вещества меняли активность рецептора и тормозили рост опухолевых клеток, а при подавлении рецептора эффект слабел. Ученые предложили молекулярное объяснение части полезных эффектов кофе, но не проверяли их у людей.
По самой распространенной версии, в прошлом климат Венеры был похож на земной, а к нынешнему состоянию пришел из-за парникового эффекта. Недавно ученые попытались смоделировать этот процесс и обнаружили, что перегретая венерианская кора даже вместе с вулканами просто не могла испустить в атмосферу такое количество углекислого газа, какое мы наблюдаем в ней сейчас.
Каждый год на месторождениях происходят десятки плановых остановок скважин для ремонта или профилактики. Чтобы во время простоев предотвратить выброс нефти и газа на поверхность, скважины глушат и закачивают в них специальные жидкости, в качестве которых нередко используют обратные эмульсии. Раньше считалось, что они безвредны и легко удаляются, поэтому, когда после глушения проницаемость уменьшалась, это списывали на другие факторы — например, отложение парафинов. Комплексно не изучалось, как именно эти составы влияют на снижение добычи. Ученые Пермского Политеха изучили обратные эмульсии и впервые объяснили, как они влияют на проницаемость горных пород. Проведенное исследование позволяет заранее определить, насколько опасен тот или иной состав и какой способ очистки сработает лучше. Это поможет нефтяным компаниям минимизировать потери добычи и избежать дорогостоящих восстановительных работ.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Окаменелые остатки рептилии возрастом 289 миллионов лет сохранили полное анатомическое устройство грудной клетки ранних покорителей суши. Благодаря нетронутым хрящам исследователи реконструировали механику первого полноценного реберного дыхания. Наличие в тканях оригинальных белков подтвердило, что сложные органические молекулы способны сохраняться в палеонтологической летописи почти на 100 миллионов лет дольше, чем считалось.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно