Введение к работе
Актуальность темы.
Тема диссертационной работы связана с наиболее интенсивно развивающимися направлениями теории эволюции плазменных образований, о чем говорят многочисленные уникальные эксперименты, активно проводящиеся в настоящее время в реальной ионосфере и магнитосфере, на установках токамак, в лабораторной плазме. Неодномерная постановка задач, учет реальных параметров плазмы, произвольный выбор формы и степени неоднородности, учет самосогласованных электрических полей позволяют дать единственно адекватную картину пространственно-временного развития нелинейных плазменных возмущений. Актуальность темы определяется особой значимостью и широкой распространенностью рассмотренных в работе процессов, а также возможными практическими приложениями, связанными с образованием и эволюцией плазменных неоднородностей. Наиболее актуальной задачей является формулировка на основании выполненных численных расчетов аналитических аппроксимационных выражений для описания эволюции плазменных облаков в реальных ситуациях.
Цель работы.
Целью работы является построение теоретически моделей и проведение трехмерного численного моделирования а) эволюции ионосферных неоднородностей произвольной нелинейности и формы для реальных параметров ионосферы; б) неодномерной термодиффузии частично ионизованной плазмы в магнитном поле, вызванной градиентом электронной температуры; в) эволюции и стратификации плазменного облака, окружающего пеллет в токамаке с учетом неоднородного магнитного поля.
Научная новизна.
В целом ряде работ было выполнено моделирование эволюции плазменных неоднородностей в рамках так называемой двуслойной модели ионосферы. При этом делается предположение об эквипотенциальное силовых линий магнитного поля. Это позволяет описать только эволюцию крупномасштабных неоднородностей, причем в качестве результата получаются лишь интегральные характеристики ионосферы. Трехмерное моделирование, ввиду сильного различия продольных и поперечных коэффициентов переноса, было выполнено лишь для однородной плазмы с модельными значениями коэффициентов переноса или для неоднородностей специальной формы. Трехмерные расчеты эволюции плазменных облаков в реальной ионосфере на момент написания диссертации отсутствовали и реализованы в диссертации впервые.
При анализе явлений, связанных с термодиффузией, обычно ограничивались одномерным рассмотрением, когда градиент температуры параллелен или перпендикулярен магнитному полю. При таком подходе перенос плазмы описывается уравнением амбиполярной диффузии, а электроны и ионы перемещаются совместно, их потоки равны. Однако это справедливо лишь при выполнении жесткого условия на размеры температурного возмущения, которое часто нарушается. В работе впервые показано, что неодномерная термодиффузия определяется механизмом короткого замыкания токов по фоновой плазме, а характерные масштабы возмущения неоднородности определяются униполярными коэффициентами переноса и намного превосходят масштабы температурного возмущения.
Задача о растекании плазмы вблизи пеллета, инжектированного в токамак, до настоящего времени была решена в квазиодномерной постановке. В существующих моделях не было последовательно учтено самосогласованное электрическое поле. Двумерное численное моделирование поперечной эволюции плазменного облака в токамаке с учетом неоднородного магнитного поля выполнено впервые. Это позволило обнаружить и теоретически обосновать целый ряд принципиально новых явлений. Важнейшим из них является тот факт, что образующаяся плазма наряду с растеканием вдоль магнитного поля выбрасывается с ускорением в направлении внешнего обвода и стратифицируется. В работе предложен механизм образования страт, связанный с поляризацией плазменного сгустка в неоднородном магнитном поле.
Практическая ценность работы.
Проведенные трехмерные расчеты эволюции ионосферных неоднородностей позволили объяснить ряд явлений, наблюдавшихся при проведении экспериментов с бариевыми облаками в ионосфере, например, в эксперименте "Сполох". В частности, удалось объяснить наблюдавшееся нелинейное растяжение профилей концентрации на краях облака и определить время жизни облака - одну из важнейших характеристик плотных плазменных образований. Предложенные в работе агшроксимационные формулы позволяют предсказывать свойства подобных искусственных образований и вырабатывать рекомендации при планировании и интерпретации результатов активных экспериментов в околоземном пространстве.
Выполненное численное моделирование неодномерной термодиффузии в магнитном поле позволит описать явления в ионосфере, возникающие при воздействии на нее интенсивного электромагнитного излучения, создание искусственных возмущенных областей с заданными свойствами, перераспределение концентрации, возникающее при любых нагревных процессах. Результаты численных расчетов позволили описай.
лабораторный эксперимент по моделированию нагрева ионосферы мощной радиоволной.
Результаты двумерною численного моделирования эволюции плазменного облака в токамаке позволили теоретически обосновать наблюдавшееся в экспериментах появление вторичной плазмы на более внешних магнитных поверхностях и оценить степень экранировки пеллета плазменным облаком. По результатам работы был сделан вывод о более эффективной ннжекцин пеллетов с внутренней стороны токампков, подтвержденный в настоящее время экспериментально на токамаке ASDEX-Upgrade.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Результаты трехмерного численного моделирования эволюции
ионосферных неоднородностей произвольной нелинейности и формы с
учетом реальных ионосферных параметров.
-
Разработка на основании проведенных расчетов аппроксимационных выражений, описывающих эволюцию плазменного облака в зависимости от его формы и степени нелинейности.
-
Результаты численного моделирования неодномерной термодиффузии частично ионизованной плазмы в магнитном поле.
4. Демонстрация доминирующей роли эффекта короткого замыкания
токов по плазме при неодномернон термодиффузии.
5. Результаты численного моделирования эволюции плазменного облака
при инжекции пеллета в токамак.
6. Обнаружение эффекта ускореггая плазмы в направлении большого
радиуса токамака и выяснение механизма стратификации плазменного
облака.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном совещании "Математические модели ближнего космоса" (Москва, 1988 г.), на конференции по явленням в верхней ионосфере (Красноярск, 1987 г.), на Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (19 ICP1G, 1989), на Международных конференциях по УТС и физики плазмы (18th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys.. Berlin, 1989; 20th EPS Conf., Lisboa, 1993, 21st EPS, Montpellier. 1994) на семинарах ИЗМИРАН, института физики плазмы имени Макса Планка, СПбГТУ, ФТИ нм. Иоффе, Полярного геофизического института (ПГИ), СПбГУ.
(іруктлра и объем диссеоіации.
Диссертация содержит введение, три і лавы, заключение и приложение. В диссертации 170 страниц печатного текста, в том числе 44 рисунка и список литературы, включающий 125 наименований.
