Введение к работе
Актуальность работы
Изучение бесстолкновительных ударных волн важно для целого ряда областей современной физики: физики Солнца, солнечно-земной физики, астрофизики, физики лабораторной плазмы и других.
Экспериментальное исследование бесстолкковительных ударных волн связано в основном с околоземной ударной волной, образующейся при взаимодействии сверхзвукового- потока солнечного ветра с магнитным полем. Земли. Сильные солнечные вспышки приводят к образованно межпланетных ударных волн в потоке плазмы солнечного ветра. Межпланетные ударные волны играют фундаментальную роль в процессе передачи энергии, высвобождающейся при развитии активных процессов на Солнце, в магнитосферу Земли. Поэтому изучение динамики И структуры ударных волн, а также процессов, происходящих в их фронтах, имеет практическое значение в решении задач радиосзязи, метеорологии, медицины и т.д. В астрофизике изучение бесстолкновительных ударных волн важно для исследования таких вопросов, как ускорение космических лучей, механизм генерации излучения в остатках сверхновых и т. д.
Одной из ключевых проблем физики бесстолкновительных ударных волн является проблема перераспределения энергии направленного движения набегающего потока плазмы в тепловую энергию ионов и электронов, ускорения частиц и генерации колебаний. Эти вопросы еще окончательно не разрешены для такого класса бесстолкновительных ударных волн, как сверхкритические квазиперпендикулярные удзрные волны. Структура и динамика квазиперпендикулярных бесстолковительных ударных волн в значительной степени определяется электромагнитными полями и плазменными колебаниями с характерными масштабами порядка нескольких электронных циклотронных радиусов.
Детальное исследование турбулентности во фронте: удірной волны и ее физическая интерпретация возможны на основе одновременных измерений электромагнитных полей и плазменных
токов.
В рамках проектов "Прогноз-8", "Прогноз-10", "Интербол", токовые измерения реализованы с помощью цилиндра Фарадея и щелевого зонда Ленгмюра. При интерпретации такого рода экспериментальных данных необходимо учитывать влияние плавающего потенциала и геометрию собирающих поверхностей зондов.
Цели и задачи работы
Целью работы являлось исследование процессов, протекающих во фронте квазиперпендикулярной ударной волны на масштабах порядка электронного ларморовского радиуса,- включающее:
разработку методов обработки и интерпретации измерений плазменных токов;
исследование с помощью токовых измерений низкочастотных плазменных колебаний вблизи ударной волны;
-численный расчет неадиабатического нагрева электронов во фронте квазиперпендикулярной ударной волны и определение применимости этого механизма для объяснения экспериментальных данных.
Научная новизна работы
1. Разработан метод обработки данных флуктуации плазменных
токов при использовании их для определения мод плазменных
колебаний. На примере низкочастотных плазменных колебаний
вблизи околоземной ударной волны, в рамках линейной теории
теплой ллазмы, рассчитаны модельные величины токов, измеряемых
цилиндром Фарадея и щелевым зондом Яенгмюра. Изучена
зависимость результатов таких измерений от характеристик моды
плазменных колебаний, параметров плазмы, а также от ориентации
датчиков, их формы и потенциала.
2. С помощью проведенных на спутнике "Прогноз-8" Свблизи
околоземной квазиперпендикулярной ударной волны) измерений
электрического и магнитного полей и флуктуации ионного потока в
диапазоне частоты нижнегибридного резонанса показано совпадение
экспериментальных зависимостей с модельными н возможность определения плотности и температуры плазмы.
Для измеренных в ходе волнового эксперимента на спутнике "Прогноз-10" флуктуации магнитного поля и плотности тока в диапазоне частоты нижнегибридного резонанса показано, что в области спектральных пиков экспериментальные дисперсионные характеристики совпадают с модельными для вистлера и БМЗ волны. Волновые гармоники сконцентрированы в узком диапазоне длин волн 15-30 км при диапазоне частот в системе отсчета плазмы 1 - 10 Гц.
3. Численно Сметодом одночастичного моделирования) рассчитан нагрев тепловых электронов плазмы, связанный с неадиабатическим взаимодействием электронов с.коротковолновыми всплесками электрического поля в области рампа сильной квазиперпендикулярной ударной волны. Показано, что этот механизм способен обеспечить достаточный нагрез электронной компоненты. Результаты численного расчета соответствует экспериментально определенным зависимостям прироста температуры от параметров мегпланетной среды, в том числе тем, которые не могут быть объяснены з рамках адиабатического приближения.
Научная и практическая значимость работы
Метод обработки волновых токовых измерений позволяет вычислять количественные характеристики, необходимые для идентификации типов плазменных колебаний и уточнения на этой основе моделей формирования характерных структур в бесстолкновительных плазменных оболочках планет.
Результаты исследований волновой активности и расчетов нагрева электронов во фронте квазиперпендикулярной ударной волны представляет самостоятельный интерес для физики бесстолкновительных ударных волн. Они могут Сыть также использованы при описании процессов в плазменных оболочках других астрофизических объектов.
Личный вклад автора Автор непосредственно участвовал в: - разработке методики, алгоритмов и программ моделирования
работы токовых датчиков;
проведении обработки, систематизации, анализа и физической интерпретации данных волновых экспериментов, осуществленных на спутниках "Прогноз-8" и "Прогноз-10";
в численном расчете ряда теоретических моделей нагрева электронов.
Апробация работы
Материалы, приведенные в работе, докладывались на:
сессии КОСПАР, Гаага, Нидерланды, 1990;
сессии Езропейского Геофизического общества, Эдинбург, Великобритания, 1992;
26-ом ESLAB симпозиуме по изучению солнечно-земных связей, Килларней, Ирландия, 1992;
конференции по пространственно-временному анализу плазменной турбулентности, Осуа, Франция, 1993.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Объем работы составляет 56 страниц. Она содержит 35 рисунков и 1 таблицу. Библиография включает 75 наименований.
