F8602 Plasmová astrofyzika

Přírodovědecká fakulta
jaro 2023
Rozsah
2/0/0. 2 kr. (plus ukončení). Ukončení: zk.
Vyučující
RNDr. Miroslav Bárta, Ph.D. (přednášející), prof. Mgr. Jiří Krtička, Ph.D. (zástupce)
Garance
prof. RNDr. Jana Musilová, CSc.
Ústav teoretické fyziky a astrofyziky – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: RNDr. Miroslav Bárta, Ph.D.
Dodavatelské pracoviště: Ústav teoretické fyziky a astrofyziky – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Út 16:00–17:50 Fs1 6/1017, Út 18:00–19:50 Fs1 6/1017
Předpoklady
Základní kurs fyziky plazmatu cca na úrovni učebnice F.F.Chen: Úvod do fyziky plazmatu.
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je otevřen studentům libovolného oboru.
Cíle předmětu
Přednáška volně navazuje na úvodní kursy astrofyziky, sluneční fyziky a fyziky plazmatu. Cílí především na aplikace základních konceptů fyziky plazmatu na popis a objasnění jevů a procesů pozorovaných na Slunci a v kosmickém a astrofyzikálním kontextu. Tyto jevy jsou často spojeny s magnetickou aktivitou – např. sluneční a hvězdné erupce a výrony koronální hmoty, analogická magnetická aktivita akrečních disků atd. Studované jevy v astrofyzikálním plazmatu nahlédneme z hlediska makroskopických i mikroskopických (kinetických) procesů v nich probíhajících a jejich vzájemného vztahu. Posluchači se seznámí se základními přístupy v počítačovém modelování makro- i mikrofyziky ve slunečním, kosmickém a astrofyzikálním plazmatu. Stranou nezůstanou ani observační aspekty a vzájemná zpětná vazba mezi teorií/modelováním a moderními pozorováními (vzdálenou diagnostikou plazmatu) v celém spektru elektromagnetických vln. Přednáška se zabývá obecnými rysy plazmových procesů v astrofyzice, byť konkrétní aplikace budou nejčastěji ilustrovány na příkladech pozorovaných na Slunci, které představuje nejbližší laboratoř pro jejich detailní studium.
Osnova
  • Základní koncepty fyziky plazmatu a jejich aplikace na procesy v astrofyzice. 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 téměř bezesrážkovém kosmickém plazmatu.
  • Makroskopické struktury magnetického pole s ilustračními příklady studovanými ve sluneční atmosféře: smyčky, provazce (toková lana) a arkády. Extrapolace magnetických polí: bezsilové pole – lineární a nelineární aproximace.
  • Základy aplikované magneto-hydrostatiky (MHS): příklady výpočtů MHS rovnovážných konfigurací – vertikální tokové vrstvy a trubice s aplikací např. na sluneční a hvězdné filamenty a protuberance. Magneto-hydrodynamické vlny na vlnovodech: základní klasifikace vlnových modů, magnetické (MHS) struktury ve 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 astro-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 vs. databáze CACTUS.
Literatura
    doporučená literatura
  • KARLICKÝ, Marian. Plasma astrophysics. První vydání. Praha: Matfyzpress, 2014, 161 stran. ISBN 9788073782818. info
  • Kulsrud, R.M. (2005): Plasma physics for astrophysics, Princeton University Press
  • Priest, E.R. (2000): Solar magnetohydrodynamics, D. Reidel Publishing
  • Biskamp, D. (2000): Magnetic reconnection in plasmas, Cambridge University Press
  • PRESS, William H. Numerical recipes in C : the art of scientific computing. 2nd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 1992, xxvi, 994. ISBN 0521431085. info
  • Biskamp, D. (2003): Magnetohydrodynamic turbulence, Cambridge University Press
  • Chung, T.J. (2006): Computational Fluid Dynamics, Cambridge University Press
  • Versteeg H.K., Malasekera W. : An introduction to computational fluid dynamics – The finite volume methods, Pearson/Prentice Hall 2007
  • BIRDSALL, Charles K. a A. B. LANGDON. Plasma physics via computer simulation. Bristol: Adam Hilger, 1991, 479 s. ISBN 0070053715. info
Výukové metody
Přednáška doplněná v poslední lekci praktickým cvičením - implementací jednoduchého 1D MHD numerického kódu v jazyce C++ nebo Fortran.
Metody hodnocení
Ústní zkouška: každý uchazeč zodpoví dvě otázky, požadovaná šíře znalostí je dána sylabem přednášky.
Informace učitele
http://wave.asu.cas.cz/barta/lectures/plasma_astrophysics/
Přednáška se koná jednou za 14 dní v bloku 2x 2 vyučovací hodiny.
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je vyučován jednou za dva roky.
S.
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2021, jaro 2025.