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.

Magnetic field structures. Magnetohydrodynamic waves. Magnetic field reconnection. Helicity. Emission process in plasmas. Quasilinear theory. Coherent process. Acceleration of particles. Particle beams and their instabilities.. Numerical MHD and particle codes. Solar radio bursts. Solar flares and coronal mass ejection.

Ústní zkouška.

Oral examination.

Karlický, M. (2015): Plasma Astrophysics, Mafyzpress, ISBN 9788073782818

Priest, E.R. (2000): Solar magnetohydrodynamics, D. Reidel Publishing

Kulsrud, R.M. (2005): Plasma physics for astrophysics, Princeton University Press

Aschwanden M.(2006): Physics of the solar corona, Springer

Biskasmp, D. (2000): Magnetic reconnection in plasmas, Cambridge University Press

Biskamp, D. (2003): Magnetohydrodynamic turbulence, Cambridge University Press

Stix, M.(1989): The Sun. An Introduction, Springer-Verlag

Press, W.H., Teukolsky, S.A., Vetterling, W.T., Flannery, B.P. (1992): Numerical Recipes in FORTRAN and C, Part I and II, Cambridge Univeristy 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, C.K., Langdon, A.B. (2004): Plasma Physics Via Computer Simulation, Taylor & Francis Ltd.

Zdroje dostupné online:

Living reviews in solar physics

On-line literatura na stránkách předmětu

Karlický, M. (2015): Plasma Astrophysics, Mafyzpress, ISBN 9788073782818

Priest, E.R. (2000): Solar magnetohydrodynamics, D. Reidel Publishing

Kulsrud, R.M. (2005): Plasma physics for astrophysics, Princeton University Press

Aschwanden M.(2006): Physics of the solar corona, Springer

Biskasmp, D. (2000): Magnetic reconnection in plasmas, Cambridge University Press

Biskamp, D. (2003): Magnetohydrodynamic turbulence, Cambridge University Press

Stix, M.(1989): The Sun. An Introduction, Springer-Verlag

Press, W.H., Teukolsky, S.A., Vetterling, W.T., Flannery, B.P. (1992): Numerical Recipes in FORTRAN and C, Part I and II, Cambridge Univeristy 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, C.K., Langdon, A.B. (2004): Plasma Physics Via Computer Simulation, Taylor & Francis Ltd.

On-line resources:

Living Reviews in Solar Physics

On-line resources at the webpage of the course.

Přednáška zakončená hands-on session s ilustrací jednoduchých numerických přístupů v astrofyzice sluneční atmosféry.

Exkurse na observatoř Astronomického ústavu AV ČR v Ondřejově.

Lecture series finished by a hands-on session with illustrative simple examples of numerical modelling in the astrophysics of the solar atmosphere.

Excursion to observatory of the Astronomical Institute of the Czech Academy of Sciences in Ondrejov.

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.

Basic consents of plasma physics and their application to processes in the solar atmosphere. Kinetic, two-fluid and MHD description of plasmas: (single-)fluid model as an approximation and limits of its usability. Generalized Ohm’s law and anomalous (effective) electrical resistivity. Coupling of macro- and micro-scales in solar plasmas.

Macroscopic structures of magnetic field in the solar atmosphere: Loops, flux ropes, and arcades. Magnetic field extrapolations: linear and non-linear force-free fields.

Basics of solar magneto-hydrostatics (MHS): Example calculations of MHS equilibria - prominences/filaments, vertical slabs and tubes. Magneto/hydrodynamic waves in wave-guides: Classification of the wave-modes, MHS structures in the solar atmosphere as wave-guides, applications - coronal seismology.

Magnetic-field topology and its changes. Topological skeleton of the magnetic field: Null points, separators, separatrix surfaces and quasi-separatrix layers (QSLs). Helicity. Topological changes of the magnetic field - magnetic field-line reconnection.

Magnetic reconnection - deeper look: current-layer (in)stability (tearing mode), classical reconnection models (Sweet-Parker, Petchek) and their limitations, non-linear stage of the tearing-mode instability - formation of magnetic islands/plasmoids. Plasmoid instability in highly-conductive plasmas. Dimensionality aspects: 2D vs. 3D reconnection. Magnetic configurations prone to formation of the current concentrations (current sheets): Null points, separators, (quasi)separatrix layers. (Turbulent) Energy cascades in the magnetic reconnection. Different reconnection regimes - parametric “phase diagram” of reconnection.

Occurrence and meaning of magnetic reconnection in the solar and astrophysical plasmas. Application of the MHD-instabilities theory and reconnection physics in solar research: Solar eruptive flares and CMEs.

Modeling of macroscopic processes in plasmas. Structure of the MHD equations: Energetics of the MHD processes and MHD equations in the conservative form. Approximative solution of the Riemann problem in MHD. Basic approaches to the numerical MHD modeling: Finite differences (FDM), volumes (FVM), and elements (FEM) methods of discretisation. Introduction to advanced techniques: Adaptive Mesh Refinement (AMR), parallelisation (MPI, CUDA) of numerical algorithms and high-performance computing (HPC).

Micro-scale kinetic processes in plasmas. Cascading energy transfer towards micro-scales and MHD turbulence. Particle acceleration, formation of non-Maxwellian distribution functions. Plasma micro-instabilities: Plasma+particle-beam systems and other non-Maxwellian configurations, generation of high-frequency plasma waves.

Analytical description of driven/damped waves in plasmas - quasi-linear (QL) approximation. Generalized plasma dielectric tensor. Kinetic equations for QL approximation. Energetics in the waves, absorption and emission coefficients. Stimulated emission vs. Landau damping. Feedback of plasma micro-physics to (effective) transport coefficients (e.g. resistivity) - scale coupling.

Numerical approaches to modeling of small-scale (kinetic) processes in the solar plasmas: Particle codes - Test particle (TP) and Particle-in-Cell (PIC), Vlasov simulations, gyro-kinetic approximation.

Modern multi-wavelength observations as a remote diagnostics of solar plasmas and test of our models. Relations between model and observation - forward fitting and inversion methods. Significance of the diagnostic layer above numerical models - calculation of observables from the state variables of the simulated system. Numerical simulations with observation-driven boundary conditions. Cascade of consecutive simulations for the space weather predictions - CACTUS.

Přednět je vyučován pouze v sudých letech (začátky v říjnu 2024, 2026, 2028,...)!

Prerekvizity: Sluneční fyzika I, Fyzika plazmatu/Kosmická elektrodynamika.

The course is running in the even years only (beginnings in October 2024, 2026, 2028,...)!

Prerequisites: Solar physics I, Plasma physics / Space electrodynamics.