Введение к работе
Актуальность проблемы
Бесстолкновительные ударные волны ( БУВ ) являются одним из наиболее уникальных явлений, изучаемых в космической плазме.Интерес к ним стимулируется той большой ролью, которую они играют в физике космической плазмы и, в первую очередь, тем обстоятельством, что благодаря коллективным процессам они обеспечивают эффективный механизм трансформации энергии направленного движения в тепловую энергию и приводят к ускорению заряженных частиц.
Основные представления о физике бесстолкновительных ударных волн, заложенные в работах Р. 3.Сагдеева в начале шестидесятых годов, были основаны на концепции о конкуренции эффектов дисперсии и нелинейности. Возможность существования такого явления, как БУВ, возникает благодаря тому обстоятельству, что эффекты дисперсии останавливают процесс нелинейного укручения волны. Учет диссипации наряду с дисперсией позволил теоретически построить тонкую структуру фронта, внутри которого энергия направленного движения г.лазмы трансформируется в энергию колебаний и волн, а состояние плазмы за фронтом и до него удовлетворяет адиабате Гюгонио. Характерный размер фронта, на котором происходит необратимый переход части энергии направленного движения в тепловую энергию, оказывается при этом существенно меньше длины свободного пробега относительно парных кулоновских соударений. Одним из первых прямых доказательств суаествования ударных волн в бесстолкновительной плазме было обнаружение околоземной ударной волны, образующейся при взаимодействии с магнитосферой Земли солнечного ветра - плазмы, истекающей из солнечной короны. В последующие годы, благодаря плазменным экспериментам на космических аппаратах, был получен
- г -
большой объем экспериментальных данных о процессах, происходящих на фронте ударной волны. Это стимулировало теоретические исследования, эксперименты по численному моделированию и привело к заметному прогрессу в пониманий физики процессов в бесстолкновительных ударных волнах. Однако ряд ключевых вопросов, связанных с проблемой идентификации механизмов бесстолкновительной диссипации кинетической энергии потока плазмы на фронте сильной ударной волны, все еще остаются невыясненными в своих основных чертах.
Механизм бесстолкновительной диссипации на фронте БУВ тесно связан с вопросом о структуре фронта. Согласно феноменологической классификации структура БУВ зависит от альвеновского числа Маха, Мд , от отношения теплового давления плазмы к магнитному /3 , от угла 6д между нормалью к фронту и направлением магнитного поля в невозмущенном потоке, а также от отношения температур электронов и ионов Те / Tj. Комбинация этих параметров определяет структуру ударной волны, что проявляется в профиле магнитного поля и характере турбулентности вблизи и внутри фронта. Теоретическое описаниэ структуры фронта в рамках магнитной гидродинамики показало, что для волн, распространяющихся почти перпендикулярно к невоэмущенному магнитному полю, профиль магнитного поля носит ламинарный характер при величине Альвеновского Маха меньше некоторого критического, Мд і М кр а« 3. Толщина фронта при этом определяется аномальным сопротивлением электронному току, возникающим вследствие развития ионно-звуковой неустойчивости. При Мд М^ происходит опрокидывание фронта, так как иоино-звуковая неустойчивость не может обеспечить необходимый темп диссипации. Предполагалось, что возникающее при опрокидывании профиля скорости многопотокое движение ионов должно обеспечить необходимую величину
- з -диссипации вследствие появления аномальной вязкости. В лабораторных и космических экспериментах было показано, что характерной особенностью сильной С М > М ) квазиперпендикулярной ( 8gn> 45 ) ударной волны является наличие перед фронтом пучка отраженных ионов, которые под воздействием силы Лоренца возвращаются назад к фронту. В известном смысле появление отраженных ионов можно считать явлением, адекватным опрокидывание фронта при магнитогидродинамическом описании плазмы.
Как показали измерения на спутниках ISEE 1,2, доля отраженных ионов может достигать 20-30 % от падающего потока ионов. Это означает, что в данном случае основным источником свободной энергии является движение отраженных ионов относительно основного потока плазмы, так как в пучке отраженных ионов содержится значительно больше энергии, чем в тепловом движении ионов и магнитном поле. Таким образом, в сильньа кваэиперпендикулярных ударных волнах заметная доля кинетической энергии потока плазмы переходит сначала в энергию отраженного пучка ионов и уже затем , в результате развития неустойчивости пучка в плазме, трансформируется в другие виды энергии. Хотя такую схему начальной стадии релаксации потока плазмы можно считать установленной, конкретный тип неустойчивости, генерируемой отраженным пучком, и основные моды колебаний обуславливающие его релаксацию, остаются предметом дискуссии. К настоящему времени нельзя также считать и окончательно решенным вопрос о характере поведения функции распределения основного потока плазмы на фронте и за фронтом ударной чолны.
В структуре фронта сверхкритической квазиперпендикулярной БУВ обычно выделяют следующие основные области : подножие С фут ), в котором существует отраженный пучок ионов и наблюдается усиление
- 4 -флуктуации магнитного поля и некоторое увеличение его модуля, область ударного перехода С рамп ), отождествляемую со скачком магнитного поля и основным нагревом ионов, и овершут - область непосредственно за ударным переходом, где модуль магнитного поля заметно превышает величину, определяемую ударной адиабатой. Более дискуссионным является вопрос о существовании в пределах рампа так называемого изомагнитного скачка или "субшока" - скачка электростатического потенциала с характерным пространственньш масштабом в несколько сотен дебаевских радиусов.
Цель и задачи исследования.
Целью работы является изучениие динамики ионов и процессов релаксации ионной компоненты плазмы по измерениям с высоким временным разрешением ионной функции распределения, потока ионов и низкочастотных электрических полей в характерных образованиях фронта околоземной квазиперпендикулярной ударной волны: подножии, рампе и вниз по потоку за фронтом.
Задачи исследований были следующие:
- изучение динамики функции распределения в структурах фронта
ударной волны;
изучение низкочастотной турбулентности и нелинейных структур в подножии фронта волны;
изучение взаимосвязи динамики функции распределения и турбулентности в структурах фронта.
Эти задачи решались на основе экспериментов, проведенных на ИСЭ "Прогноз-8" и в рамках проекта "Интершок" на ИСЗ "Прогноз-10", посвященного исследованию тонкой структуры ударных волн в космической плазме.
Научная новизна исследований
В области подножия сверхкритической квазиперпендикулярной ударной волны обнаружены сильные возмущения плотности ионов СДЯ/N -0,5) в форме характерных структур, которым однозначно соответствуют структуры в электрическом поле. Это является убедительным свидетельством в пользу электростатической природы турбулентности перед фронтом сверхкритической квазиперпендикулярной волны. Модуляция возмущений с частотой, обратной периоду вращения отраженного пучка в подножии, заставляет предполагать, что источником и переносчиком возмущений в подножии ударной волны является бунчированный пучок ионов, отраженный от нестационарного фронта ударной волны. Рассеяние основного потока ионов на этих возмущениях приводит к начальной диссипации на фронте сильной бесстолкновительной ударной волны.
По измеренному профилю скачка переносной скорости ионов на фронте получена оценка пространственного масштаба скачка потециала на рампе сильной ударной волны.
Получены свидетельства того, что функция распределения ионов непосредственно за фронтом имеет многопучковую структуру и образуется путем неоднородного заполнения пространства скоростей относительно холодными пучками. Релаксация этих пучков к широкой и гладкой С кваэймаксвелловской ) функции распределения происходит на пространственном масштабе, значительно превышающем размеры фронта.
Практическая ценность работы.
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы для решения ряда проблем физики космической и лабораторной плазмы, а именно в приложении к задачам нагрева ионов плазмы нелинейными и ударными волнами.
Полученные в диссертации результаты могут быть также использованы для построения моделей суперкритических квазиперпендикулярных ударных волн и понимания механизма нагрева ионов в такого типа волнах.
Полученные результаты могут быть рекомендованы к использование В ИКИ РАН. ИЭМИРАН. СибИЗМИР. НИИЯФ МГУ. ФИ РАН. ИАЭ.
Личным вкладом автора в работы, вошедшие в диссертацию,
ЯВЛЯеТСЯ:
разработка алгоритмов и создание программ физической обработки результатов экспериментов;
получение результатов физической обработки;
анализ полученных результатов и их интерпретация в приложении к процессам на ударной волне.
Апробация работы.
Основные результаты, составившие содержание диссертации, докладывались на :
- Международной конференции по бесстолкновительным ударным
волнам, Балатонфюред. Венгрия, 1987 г.
Ассамблее МАГА, Ванкувер, 1987 г.
Ассамблее МАГА. Вена. 1991 г.
Чепменовская конференция по микро и меэомасштабным явлениям в космической плазме, Гаваи, 1992.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения, изложена на 85 страницах машинописного текста, включает 42 рисунка, 5 таблиц и библиографию из 102 наименований.
Публикации, По теме диссертации опубликовано 14 работ, список которых приведен в конце автореферата.
