Sluneční fyzika II

Sylabus

Základní koncepty fyziky plazmatu a jejich aplikace na procesy ve sluneční atmosféře. Kinetický, dvou-tekutinový a MHD popis plazmatu: (jedno-)tekutinový model jako aproximace a limity jeho použití. Zobecněný Ohmův zákon a anomální (efektivní) elektrický odpor plazmatu. Vztah makro- a mikro-škál v plazmatu sluneční atmosféry.

Makroskopické struktury magnetického pole ve sluneční atmosféře: smyčky, provazce (toková lana) a arkády. Extrapolace magnetických polí: bezsilové pole - lineární a nelineární aproximace.

Základy sluneční magneto-hydrostatiky (MHS): příklady výpočtů MHS rovnovážných konfigurací - protuberance/filamenty, vertikální tokové vrstvy a trubice. Magneto-hydrodynamické vlny na vlnovodech: základní klasifikace vlnových modů, magnetické (MHS) struktury ve sluneční atmosféře jako vlnovody, aplikace - koronální seismologie.

Topologie magnetického pole a její změny. Topologická struktura (kostra) magnetického pole: nulové body, separátory, separační plochy a kvazi-separační vrstvy. Helicita. Změny topologie pole - přepojování (rekonexe) magnetických siločar.

Magnetická rekonexe podrobněji: (ne)stabilita rovnovážné proudové vrstvy (tearing mode), klasické modely (Sweet-Parker, Petchek) a jejich omezení, nelineární fáze tearing-mode nestability - vznik magnetických ostrovů/plasmoidů. Plasmoidová nestabilita ve vysoce vodivém plazmatu. 2D vs. 3D aspekty rekonexe. Magnetické konfigurace náchylné ke vzniku proudových koncentrací (vrstev): nulové body, separátory, (kvazi)separační plochy. (Turbulentní) kaskády energie v magnetické rekonexi. Různé režimy magnetické rekonexe - parametrický „fázový diagram“ rekonexe.

Výskyt a význam rekonexe ve slunečním a astrofyzikálním plazmatu. Aplikace teorie MHD nestabilit a magnetické rekonexe ve sluneční fyzice: sluneční erupce spojené s výrony koronální hmoty.

Modelování makroskopických procesů v plazmatu. Struktura MHD rovnic: energetika MHD procesů a MHD rovnice v konzervativním tvaru. Přibližné řešení Riemannovy úlohy v MHD. Základní přístupy k numerickému MHD modelování: metody konečných diferencí (FDM), objemů (FVM) a prvků (FEM). Úvod do pokročilejších technik: adaptivní zjemňování výpočetní sítě (AMR), paralelizace numerických algoritmů (MPI, CUDA) a vysokorychlostní počítání (HPC).

Mikro-škálové (kinetické) procesy v plazmatu. Kaskádní přenos energie do mikro-škál a MHD turbulence. Urychlování částic, vznik nemaxwellowských distribučních funkcí. Mikro-nestability v plazmatu: nestability plazmatu se svazkem částic a dalších nemaxwellovských distribucí, vznik vysokofrekvenčních vln.

Analytický popis buzených/tlumených vln v plazmatu - kvazilineární (QL) aproximace. Obecný dielektrický tenzor plazmatu. Kinetické rovnice pro QL aproximaci. Energetika vln, absorpční a emisní koeficient. Stimulovaná emise vln vs. Landauův útlum. Vliv mikrofyziky na (efektivní) transportní koeficienty (např. efektivní resistivitu) - multiškálové provázání (coupling).

Přístupy k numerickému modelování (kinetických) mikroškálových procesů ve slunečním plazmatu: částicové kódy - Test Particle (TP) a Particle-in-Cell (PIC), vlasovovké simulace, gyro-kinetické přiblížení.

Moderní pozorovací metody jako vzdálená diagnostika slunečního plazmatu a test našich modelů. Vztah modelu a pozorování - forward fitting a inversion methods. Nadstavba numerických simulací - výpočet pozorovatelných veličin ze stavových vektorů simulovaného systému. Numerické simulace s okrajovou podmínkou omezenou pozorováními. Kaskáda na sebe navazujících simulací pro předpověď kosmického počasí - CACTUS.

Anotace

Struktury magnetického pole. Magnetohydrodynamické vlny.

Rekonexe magnetických polí. Helicita. Emisní procesy v plazmatu. Kvazilineární teorie. Koherentní procesy. Urychlování

částic. Svazky částic a jejich nestability.

Numerické MHD a částicové kódy. Sluneční rádiová vzplanutí. Sluneční erupce a výrony koronální hmoty.