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江临把电力系统的多信道结构图挂在研究史地图旁边。
于是他有了两张图。
一张是磁重联领域六十年的研究史。
一张是前哨站电力系统的工程结构。
它们一边是等离子体天体物理,一边是低端电气工程,看起来风马牛不相及,但在多信道耦合这件事上,两者说的是同一件事。
第二十六年深冬。
风雪肆虐,江临在石屋这个坚固的堡垒里面,开始尝试把前哨站电力系统的多信道思维,应用到磁重联上。
第一个尝试是,如果磁重联也是一个多信道系统,那它有几个信道?
每个信道映射着什么具体的等离子体物理过程?
每个信道的特征尺度是什么?
信道之间到底是如何耦合的?
他在工作站里建了一个新文档夹。
【Multi-Channel-Frawork(多信道框架)】
文档夹里,目前只有一个可怜的文本。
文档的第一行是——【磁重联的多信道分解尝试 V1】
往下,他庖丁解牛一般,一一列出候选的信道。
【信道一:大尺度MHD供能信道】
特征:庞大的磁能从外部大尺度系统(如太阳日冕、地球磁尾),象水库放水一样,源源不断地输入到重联局域。
特征尺度:系统宏观尺度L。
映射理论模型:Sweet-Parker的大尺度部分。
【信道二:中尺度Plasid层裂信道】
特征:当MHD信道输送的能量让长电流片不堪重负时,电流片自身发生撕裂失稳,碎裂成一长串被称为磁岛的结构。
特征尺度:电流片长度的某个分数。
映射理论模型:Loureiro (2007) 的链式不稳定性、Bhattacharjee (2009) 的快重联机制。
【信道三:小尺度Hall转捩信道】
特征:在极微小的尺度下,沉重的离子跟不上轻盈电子的步伐,两者在磁场中退耦,产生了强烈的霍尔电场,改变了重联区的几何拓扑。
映射理论模型:GEM挑战赛确认的机制、Burch (2016) MMS探测器的实测。
【信道四:跨尺度湍流信道】
特征:磁场本身的无序湍流,象一锅沸腾的热水,让大量微小尺度的重联事件在整个空间内随机且同时发生,极大增加了耗散。
特征尺度:从宏观能量注入尺度,一直到微观能量耗散尺度的整个惯性级联区间。
映射理论模型:Lazarian-Vishniac(1999)的随机湍流重联模型。
【信道五:边界封闭信道】
特征:在人造或特定的封闭几何(如托卡马克设备的环形室)中,磁场被容器强制保持某种拓扑约束,重联只能在特定的共振面上发生。
特征尺度:边界容器的特征尺度。
映射理论模型:托卡马克设备内的撕裂模。
【信道六:多回路集体响应信道】
特征:多个闭合的人造或天然导体回路相互嵌套,在极端电磁扰动下,象一个庞大的LC振荡网络一样,产生集体响应和磁化烙印。
特征尺度:整个导电网络的宏观尺度(可能复盖整个行星地表)。
映射理论模型:尚无。
最后一行,带着一个刺眼的问号。
“六个信道,前五个,都有现存的成熟理论可以支撑。第六个,是变电站的废墟用剩磁给我的残酷提示,但在人类的理论物理上,这依然是一片令人窒息的空白。”
写完保存,关掉编辑器,江临揉了揉发酸的眉心。
框架是搭起来了,但也仅仅是万里长征的第一步。
第二十七年,春。
冰雪消融,苔藓焕发生机。
江临却陷入了试图把这六个信道之间的耦合关系说清楚的泥潭。
每两个信道之间的耦合,他都尝试在草纸上画一张小图。
这些图不是简单的连接数,蕴含着严格逻辑因果的物理流程图。
他分析信道一(MHD)和信道二(Plasid)的耦合,大尺度MHD把磁能输入,拉长电流片。
当电流片长宽比超过临界值,失稳发生,Plasid产生。
这是一对一,非常经典的串行耦合。
他分析信道一(MHD)和信道三(Hall)的耦合,
大尺度的MHD流体运动,绝不会直接驱动微观的Hall效应。
Hall效应只在离子惯性长度这种极小尺度上才会自发点燃。
但大尺度MHD却握有
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