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Interazione non lineare tra modalità doppio strappo e Kelvin

Jul 13, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13559 (2023) Citare questo articolo

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L'interazione non lineare tra la doppia modalità di lacerazione (DTM) e le instabilità Kelvin-Helmholtz (KH) con diversi profili di flusso di taglio è stata studiata numericamente tramite l'uso di un modello magnetoidrodinamico comprimibile (MHD). Ci concentreremo sulle instabilità del KH nei plasmi a taglio magnetico debole e invertito con un forte effetto stabilizzante della flessione della linea di campo. I risultati mostrano che in questi plasmi si verificano instabilità KH accoppiate con DTM e la modalità KH domina la dinamica dell'instabilità, suggerendo il ruolo cruciale del debole taglio magnetico nella formazione di armoniche di alta modalità. Per i flussi simmetrici, durante la fase di crescita viene mantenuta una configurazione asimmetrica di riconnessione magnetica forzata, che porta all'interblocco delle modalità. Inoltre, questa indagine sull'interazione di instabilità DTM-KH contribuisce alla nostra comprensione del meccanismo di riconnessione non lineare nel regime dei plasmi di taglio magnetico debole e invertito, che è rilevante per gli studi astrofisici e di fusione.

Le instabilità guidate dal flusso del plasma svolgono un ruolo importante nei plasmi magnetizzati, tra cui la corona solare, i getti magnetosferici e astrofisici1,2,3,4,5,6,7. È noto che la rotazione del plasma eccita o sopprime molte instabilità magnetoidrodinamiche (MHD)8,9. Sia studi analitici che numerici hanno dimostrato che i flussi di taglio a velocità inferiore ad Alfven possono stabilizzare le modalità di lacerazione in sistemi comprendenti superfici risonanti periodiche singole o multiple10,11,12. Quando la variazione di velocità dei flussi di taglio supera un valore di soglia2, appare una nuova varietà di modalità instabile, l'instabilità di Kelvin–Helmholtz (KH)3,4,13; il tasso di crescita di questa instabilità è maggiore delle modalità di lacerazione14,15,16,17,18,19,20. È stato scoperto che le instabilità del KH sono alla base di vari fenomeni osservati in molti campi, tra cui la fisica magnetosferica5,6, l'astrofisica21,22, i plasmi polverosi23 e la fisica della fusione24,25,26.

Risultati precedenti hanno dimostrato che nelle instabilità KH le linee del campo magnetico e le linee del campo di flusso sono quasi parallele tra loro e che il foglio neutro e la topologia magnetica assumono una forma ondulatoria14,15,16,17,18,19,20. Negli esperimenti, l'instabilità del KH è stata studiata come possibile spiegazione delle asimmetrie poloidali delle fluttuazioni di densità che si invertono con la direzione della corrente plasmatica. È stato dimostrato che questi modi sono localizzati attorno a posizioni dove il gradiente radiale della velocità parallela assume un valore massimo27. Si prevede che forti flussi di plasma tagliati possano rendere instabili le oscillazioni del KH nei plasmi tokamak sferici28. Per piccoli spessori del flusso di taglio, l'instabilità KH è eccitata; al contrario, per spessori sufficientemente elevati, l'instabilità lacerabile sarà dominante29. Il codice di trasporto prevede che la rotazione toroidale nel tokamak possa raggiungere la velocità del suono ionico30. A flussi di taglio così grandi, devono essere considerate le instabilità magnetiche del KH28. Nella teoria della fusione e nella ricerca sperimentale, si possono trovare alcune indagini, ad esempio, sulle instabilità di tipo KH nei plasmi tokamak27,31,32,33.

Il tasso di crescita lineare dei modi KH aumenta con l'aumentare della forza dei flussi di taglio in un sistema con un'unica superficie risonante. Se il taglio magnetico è sufficientemente grande, la modalità di lacerazione mostrerà un forte accoppiamento con le instabilità KH e formerà un nuovo tipo di instabilità resistiva guidata dalle instabilità KH19,34. Per un sistema con due superfici risonanti, la modalità a doppio strappo (DTM) con un forte taglio magnetico, l'effetto combinato della stabilizzazione del periodo 'in fase' e della destabilizzazione del periodo 'fuori fase' porta a soppressione delle isole, ed entra persino nei processi di incastro e saturazione delle doppie isole nella fase non lineare35,36,37,38,39,40,41,42. Tuttavia, quando i flussi di taglio sono forti e hanno velocità vicine o maggiori della velocità locale di Alfven, la crescita dell’instabilità resistiva antisimmetrica è ulteriormente aumentata19. In tal caso, attraverso il processo di riconnessione sulle doppie superfici risonanti, i DTM possono interagire tra loro e anche accoppiarsi con le instabilità KH43.

B_{x1,\max } ,B_{x2,\max }\); the symmetric mode structures generated on dual resonant surfaces are obtained for $B_{x1,\max } \approx B_{x2,\max }$. In the nonlinear stage, the value of $B_{x}$ on the two resonant surfaces gradually increases to $B_{x,\max } \approx B_{x1,\max } \approx B_{x2,\max }$ especially after $t \sim 400$./p> 0\)52, the strong stabilizing effect of field line bending on the KH mode dominates the mode linear growth with the position of the mode being far away from the resonant surfaces. Yao et al. studied the effect of distance between two resonant surfaces on DTMs using gyrokinetic code59. Their research found that as the separation of the rational surfaces was increased, the growth rates of DTMs were enhanced and the DTM system tended to decouple into a system of two single-tearing modes. Interestingly, the distance between two rational surfaces has different mechanisms of influence on the instability of DTMs and KH modes. The relevant mechanisms need to be studied in detail./p> B_{x2,\max }\). The saturated amplitude of $B_{x1,\max }$ is also larger than 2 times that of $B_{x2,\max }$. It is expected that, similar to the case of a single resonant surface, the islands induced by the KH instabilities on left resonant surface can induce an interaction between the tearing mode and the KH mode that then drive each other14,15,16,17,18,19. We see that the island structure begins to grow when the KH mode becomes sufficiently strong, as shown in Fig. 6b. $W$ shows the width of the islands. Nevertheless, early within the nonlinear stage, the right island grows very slowly until an inward flow form at $t > 250$21,22,35./p> 400\), the KH instability saturates at a high number level with the two large size islands that exist between the two resonant surfaces. The initial magnetic topology is deformed and two eddy–like structures are generated; these eddy-like structures may result in a further enhancement of radial plasma transport. Therefore, in order to maintain a stable configuration, sheared plasma flows below the critical level are required in weak and reversed magnetic shear configuration./p> 300\); meanwhile, it can be seen that the KH modes are moving toward each other in the x-direction. Figure 8b shows that the flow profile remains constant in the early linear stage ($t < 100$). When the KH–induced islands start to grow, the flow profile first flattens near the left resonant surface. The relative velocity of the two resonant surfaces then decreases due to interlocking of the two KH modes. Once the interactions between the surfaces become sufficiently strong, the zonal flow structure will alternatively appear and move to the region close to $x = 0$. A possible reason for this phenomenon is that the zonal flow arises due to the magnetic reconnection process, which also causes two opposite resonant surfaces to attract each other, as is the case with DTMs35. Figure 8c,d show the perturbed magnetic flux on the left and right resonant surfaces, respectively. It can be seen that the high mode number harmonics are excited due to the large flow shear on the resonant surface at the linear and early nonlinear states of the KH modes. However, they merge rapidly with each other for $t > 200$. The coupled KH modes rotate together and enter a long term nonlinear dynamic process. A different behavior can be observed on the right resonant surface due to the asymmetry of the flow profile considered in the simulation./p>

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