КРУПНОМАСШТАБНЫЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТЕЧЕНИЯ В СРЕДАХ С ПЕРЕМЕННЫМИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Развита теория крупномасштабных течений во вращающейся астрофизической плазме в условиях нетривиальных свойств физической среды, которые не описываются классической гидродинамической теорией плазмы. В качестве первого шага теория развивается в рамках модели нейтральной жидкости для описания астрофизической плазмы, имея в виду последующее обобщение для учета магнитных эффектов. Такая модель имеет самостоятельное значение для изучения турбулентного динамо в областях звездообразования в галактиках, для изучения гидродинамических неустойчивостей в низкоионизованных дисках (poorly ionized), для описания меридиональных течений ниже конвективных зон в маломассивных звездах и на Солнце, а также для изучения осцилляций Солнца и звезд. Поэтому полученные результаты имеют более широкое приложение, например, для описания геофизических течений. Построение теории основано на двух ключевых идеях, развитых в плазменной астрофизике: использование модели мелкой воды с крупномасштабной сжимаемостью и использование модели двуслойной мелкой воды. В работе выведены уравнения двуслойной мелкой воды с учетом вращения и влияния сферичности течения на вращение, в которых в верхнем слое учитываются эффекты крупномасштабной сжимаемости. Для вращающейся системы получены дисперсионные соотношения для волн Пуанкаре в двуслойной мелкой воде с учетом крупномасштабной сжимаемости, при учете влияния сферичности на вращение в высокочастотном пределе получены аналогичные дисперсионные соотношения для волн Пуанкаре, в низкочастотном пределе получено дисперсионное соотношение для волн Россби. Показано, что дисперсионные соотношения для волн Пуанкаре с учетом сферичности течения имеют качественно иной вид, что приводит к трехволновым взаимодействиям волн Пуанкаре и взаимодействию двух волн Пуанкаре с волной Россби, которых не наблюдается в однослойном течении сжимаемой жидкости. Методом многомасштабных разложений исследованы все типы трехволновых взаимодействий для рассматриваемых течений.

Об авторах

М. А. Юденкова

Институт космических исследований РАН

Москва, Россия

Д. А. Климачков

Институт космических исследований РАН; Московский физико-технический институт

Москва, Россия; Долгопрудный, Россия

А. С. Петросян

Институт космических исследований РАН; Московский физико-технический институт

Email: apetrosy@iki.rssi.ru
Москва, Россия; Долгопрудный, Россия

Список литературы

  1. Petrosyan A., Klimachkov D., Fedotova M., Zinyakov T. // Atmosphere. 2020. V. 11. P. 314.
  2. Fedotova M., Klimachkov D., Petrosyan A. // Universe. 2021. V. 7. P. 87.
  3. Федотова М.А., Климачков Д.А., Петросян А.С. // Физика плазмы. 2023. Т. 49. С. 209.
  4. Birnstiel T., Fang M., Johansen A. // Space Sci. Rev. 2016. V. 205. P. 41.
  5. Lesur G., Ercolano B., Flock M., Lin M.-K., Yang C.C., Barranco J.A., Benitez-Llambay P., Goodman J., Johansen A., Klahr H., Laibe G., Lyra W., Marcus P., Nelson R.P., Squire J., Simon J.B., Turner N., Umurhan O.M., Youdin A.N. // arXiv preprint arXiv:2203.09821. 2022. doi: 10.48550/arXiv.2203.09821.
  6. Haberle R.M., Clancy R.T., Forget F., Smith M.D., Zurek R.W. The atmosphere and climate of Mars. Cambridge University Press, 2017.
  7. Parsons J.D. // Geophys. Res. Lett. 2000. V. 27. P. 2345.
  8. Tsytovich V.N., Ivlev A.V., Burkert A., Morfill G.E. // Astrophys. J. 2013. V. 780. P. 131.
  9. Ishiki S., Okamoto T., Inoue A.K. // Monthly Notices Royal Astron. Soc. 2018. V. 474. P. 1935.
  10. Korpi-Lagg M. J., Mac Low M. M., Gent F. A. // arXiv preprint arXiv:2401.04015. 2024. (представлена в Living Rev. Computational Astrophys.).
  11. Mac Low M. M., Klessen R. S. // Rev. Modern Phys. 2004. V. 76. P. 125.
  12. Zhou M., Zhdankin V., Kunz M.W., Loureiro N.F., Uzdensky D.A. // Astrophys. J. 2023. V. 960. P. 12.
  13. Arlt R., Urpin V. // Astron. Astrophys. 2004. V. 426. P. 755.
  14. Nelson R.P., Gressel O., Umurhan O.M. // Monthly Notices Royal Astronom. Soc. 2013. V. 435. P. 2610.
  15. Goldreich P., Schubert G. // Astrophys. J. 1967. V. 150. P. 571.
  16. Klahr H., Hubbard A. // Astrophys. J. 2014. V. 788. P. 21.
  17. Lyra W. // Astrophys. J. 2014. V. 789. P. 77.
  18. Barranco J.A., Marcus P.S. // Astrophys. J. 2005. V. 623. P. 1157.
  19. Marcus P.S., Pei S., Jiang C.H., Hassanzadeh P. // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 111. P. 084501.
  20. Marcus P.S., Pei S., Jiang C.H., Barranco J.A., Hassanzadeh P., Lecoanet D. // The Astrophysical Journal. 2015. V. 808. №. 1. P. 87.
  21. Marcus P.S., Pei S., Jiang C.H., Barranco J.A. // Astrophys. J. 2016. V. 833. P. 148.
  22. Korre L., Featherstone N.A. // arXiv preprint arXiv:2401.10675. 2024. (представлена в Astrophys. J.).
  23. McIntyre M.E., Hughes D.W., Rosner R., Weiss N.O. The Solar Tachocline. Cambridge University Press, 2007.
  24. Кокс Д.П., Памятных А.А. Теория звездных пульсаций. Мир, 1983.
  25. L¨optien B., Gizon L., Birch A.C., Schou J., Proxauf B., Duvall Jr T.L., Bogart R.S., Christensen U.R. // Nature Astron. 2018. V. 2. P. 568.
  26. Онищенко О.Г., Похотелов О.А., Астафьева Н.М., Хортон В., Федун В.Н. // УФН. 2020. Т. 190. С. 732.
  27. Timmermans M.L.E., Lister J.R., Huppert H.E. // J. Fluid Mechanics. 2001. V. 445. P. 305.
  28. Карельский К.В., Петросян А.С., Черняк А.В. // ЖЭТФ. 2012. Т. 141. С. 1206.
  29. Карельский К.В., Петросян А.С., Черняк А.В. // ЖЭТФ. 2013. Т. 143. С. 779.
  30. Chernyak A., Karelsky K., Petrosyan A. // Physica Scripta. 2013. V. 155. P. 014041.
  31. Юденкова М.А., Климачков Д.А., Петросян А.С. // ЖЭТФ. 2022. Т. 161. С. 388.
  32. Vallis G.K. Atmospheric and oceanic fluid dynamics. Cambridge University Press, 2017. P. 124.
  33. Федотова М.А., Климачков Д.А., Петросян А.С. // Физика плазмы. 2020. Т. 46. С. 57.
  34. Balbus S.A., Hawley J.F. // Rev. Modern Phys. 1998. V.70. P. 1.
  35. Armitage P.J. // Ann. Rev. Astro. Astrophys. 2011. V.49. P. 195.
  36. Шакура Н.И. Аккреционные процессы в астрофизике. М.: Физматлит, 2016.
  37. Miesch M.S. // Living Rev. Solar Phys. 2005. V. 2. P. 1.
  38. Shebalin J.V. // Geophys. Astrophys. Fluid Dynamics. 2013. V. 107. P.411.
  39. Favier B.F.N., Godeferd F.S., Cambon C. // Geophys. Astrophys. Fluid Dynamics. 2012. V. 106. P. 89.
  40. Tobias S.M., Diamond P.H., Hughes D.W. // Astrophys. J. Lett. 2007. V 667. P. 113.
  41. Balk A.M. // Astrophys. J. 2014. V. 796. P. 143.
  42. Зиняков Т.А., Петросян А.С. // Письма ЖЭТФ. 2018. Т. 108. С. 75.
  43. Зиняков Т.А., Петросян А.С. // Письма ЖЭТФ. 2020. Т. 111. С. 65.
  44. Сиразов Р.А., Петросян А.С. // Письма ЖЭТФ. 2019. Т. 110.№5. С. 314.
  45. Gilman P.A. // Astrophys. J. 2000. V. 544. P. 79.
  46. Heng K., Spitkovsky A. // Astrophys. J. 2009. V. 703. P. 1819.
  47. Zaqarashvili T.V., Oliver R., Ballester J.L. // Astrophys J. 2009. V. 691. P. 41.
  48. Климачков Д.А., Петросян А.С. // ЖЭТФ. 2016. Т. 149. С. 965.
  49. Климачков Д.А., Петросян А.С. // ЖЭТФ. 2017. Т. 152. С. 705.
  50. Климачков Д.А., Петросян А.С. // ЖЭТФ. 2018. Т. 154. С. 1239.
  51. Miesch M.S. // Astrophys. J. 2001. Т. 562. С. 1058.
  52. Miesch M.S. // Astrophys. J. 2003. Т. 586. С. 663.
  53. Федотова М.А., Петросян А.С. // ЖЭТФ. 2020. Т. 158. С. 374.
  54. Федотова М.А., Петросян А.С. // ЖЭТФ. 2020. Т. 158. С. 1188.
  55. Latter H.N., Papaloizou J. // Monthly Notices Royal Astronom. Soc. 2017. V. 472. P. 1432.
  56. Almgren A.S., Bell J.B., Nonaka A., Zingale M. // Computing in Science & Engineering. 2009. V. 11. P. 24.
  57. Ballester J.L., Alexeev I., Collados M., Downes T., Pfaff R.F., Gilbert H., Khodachenko M., Khomenko E., Shaikhislamov I.F., Soler R., V?zquez-Semadeni E., Zaqarashvili T. // Space Sci. Rev. 2018. V. 214. P. 1.
  58. Leake J.E., DeVore C.R., Thayer J.P., Burns A.G., Crowley G., Gilbert H.R., Huba J.D., Krall J., Linton M.G., Lukin V.S.,Wang W. // Space Sci. Rev. 2014. V. 184. P. 107.
  59. Zeitlin V. // Nonlinear Processes Geophys. 2013. V. 20. P. 893.
  60. Zaqarashvili T.V., Albekioni M., Ballester J.L., Bekki Y., Biancofiore L., Birch A.C., Dikpati M., Gizon L., Gurgenashvili E., Heifetz E., Lanza A.F., McIntosh S.W., Ofman L., Oliver R., Proxauf B., Umurhan O.M., Yellin-Bergovoy R. // Space Sci. Rev. 2021. V. 217. P. 1.
  61. Zaqarashvili T.V., Oliver R., Ballester J.L., Shergelashvili B.M. // Astron. Astrophys. 2007. V. 470. P. 815.
  62. Zaqarashvili T.V., Oliver R., Ballester J.L., Carbonell M., Khodachenko M.L., Lammer H., Leitzinger M., Odert P. // Astron. Astrophys. 2011. V. 532. P. 139.
  63. Zaqarashvili T.V., Gurgenashvili E. // Frontiers Astron. Space Sci. 2018. V. 5. P. 7.
  64. McIntosh S.W., Cramer W.J., Pichardo Marcano M., Leamon R.J. // Nature Astronomy. 2017. V. 1. P. 1.
  65. Dikpati M., Cally P.S., McIntosh S.W., Heifetz E. // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 1.
  66. Dikpati M., Belucz B., Gilman P.A., McIntosh S.W. // Astrophys. J. 2018. V. 862. P. 159.
  67. Dikpati M., McIntosh S.W., Bothun G., Cally P.S., Ghosh S.S., Gilman P.A., Umurhan O.M. // Astrophys. J. 2018. V. 853. P. 144.
  68. Dikpati M., McIntosh S.W. // Space Weather. 2020. V. 18. P. e2018SW002109.
  69. Dikpati M., McIntosh S.W., Wing S. // Frontiers Astron. Space Sci. 2021. V. 8. P. 71.
  70. Worster G., Moffatt K., Batchelor G. Perspectives in Fluid Dynamics:ACollective Introduction to Current Research. Cambridge, UK: Cambridge Univ. Press, 2000. P. 393.
  71. Моффат Г. Возбуждение магнитного поля в проводящей среде. М.: Мир, 1980.
  72. Falkovich G. Fluid mechanics: A short course for physicists. Cambridge University Press, 2011.
  73. Ostrovsky L. Asymptotic Perturbation Theory of Waves. Imperial College Press, 2015. P. 18.
  74. Birnstiel T., Dullemond C.P., Brauer F. // Astron. Astrophys. 2010. V. 513. P. A79.
  75. Andrews S.M. // Ann. Rev. Astron. Astrophys. 2020. V. 58. P. 483.
  76. Umurhan O.M. // Astron. Astrophys. 2010. V. 521. P. A25.
  77. Umurhan O.M. // Astron. Astrophys. 2012. V. 543. P. A124.
  78. Sheehan D.P., Davis S.S., Cuzzi J.N., Estberg G.N. // Icarus. 1999. V. 142. P. 238.
  79. Lovelace R.V.E., Romanova M.M. // Fluid Dynamics Res. 2014. V. 46. P. 041401.
  80. Li H.F., Finn J.M., Lovelace R.V.E., Colgate S.A. // Astrophys. J. 2000. V. 533. P. 1023.
  81. Sterken V.J., Baalmann L.R., Draine B.T., Godenko E., Herbst K., Hsu H.W., Hunziker S., Izmodenov V., Lallement R., Slavin J.D. // Space Sci. Rev. 2022. V. 218. P. 71.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024