Введение к работе
Актуальность проблемы. Работа посвящена исследованию квазиперпендикулярных сверхкритических бесстолкновительных ударных волн (БУВ). Бесстолкновительные ударные волны играют важную роль в плазменной астрофизике и в лабораторной плазме. Они также играют важную роль в процессе передачи энергии, высвобождающейся при развитии активных процессов на Солнце, в магнитосферы планет. Рост интереса к бесстолкновительньш ударным волнам, объекту, известному с конца пятидесятых годов, здесь следует отметить, что возможность существования БУВ была предсказана теоретически в работах [1—3], и в этих же работах были построены первые теоретические модели Этого объекта, обусловлен новыми возможностями при проведении космических экспериментов: три американских космических аппарата: ISEE -1-3, и два советских: Прогноз-8 и Прогноз-10-Интершок, выполняли серию уникальных измерений, существенно обогативших наши знания об околоземной отошедшей бессголкновительной ударной волне. Были получены новые данные об отошедших ударных волнах вблизи Юпитера и Урана при пролете космического аппарата Voyager. Эти данные показали, что явления, наблюдаемые в природе значительно многообразнее, а физические процессы существенно сложнее, и не описываются простыми моделями, ставшими классическими. Поэтому пришло время на базе новых экспериментальных данных пересмотреть модели и концепции, которые были положены в основу физики бесстолк-новительных ударных волн, и найти адекватное описание этого объекта, соответствующее имеющимся на сегодня данным. Принципиально важную роль играют бесстолкновительные ударные волны и в плазменной аегрофизике: считается, что они являются источником ускоренных до высоких энергий частиц - космических лучей. Данные космических экспериментов и здесь предоставили, новые возможности для сопоставления теоретических представлений с измере-
ииями. С точки зрения астрофизики одной из важных задач является создание модели генерации излучения остатками сверхновых, что также непосредственно связано с исследованием физики сильных бесстолкновительных ударных волн. Все это и определяет актуальность решаемых в диссертации задач.
Мелью работы является исследование структуры фронта квазиперпенди-кугмрных БУВ при больших числах Маха и процессов ускорения электронов во фронте таких ударных волн. Для решения этой проблемы требовалось:
создание теоретической модели, адекватно описывающей имеющиеся ікспериментальньїе данные;
исследование процессов ускорения электронов во фронте таких БУВ и анализ процессов генерации радиоизлучения при релаксации ускоренных электронов;
сопоставление теоретических представлений о структуре фронта и процессах ускорения с экспериментальными данными.
БУВ представляют собой один из классов нелинейных волн, в которых физические процессы определяются конкуренцией эффектов дисперсии, нелинейности и диссипации. Другим примером аналогичной нелинейной динамической системы, представляющим собой нелинейную бесстолкновительную волну, генерируемую при протекании тока в плазме, является двойной слой. Здесь также возникает вопрос об устойчивости структуры такого объекта. Поэтому была поставлена задача исследования неусгойчивостей в ограниченных плазменных системах стоком.
Научная новизна. Основная часть представленных в диссертации результатов теоретических исследований и результатов анализа данных измерений получена впервые. К числу таких результатов можно отнести следующие:
-развита теоретическая модель структуры фронта квазиперпендикуляр-
яых бесстолкновительных ударных волн при больших числах Маха, в которой неотъемлемыми элементами являются нелинейные' пакеты свистовых волн большой амплитуды, распространяющиеся от фронта в область подножия, основным механизмом генерации хоторых является квазипериодически повторяющийся процесс опрокидывания набегающего потока, т.е. в основном они являются результатом развития неустойчивости структуры фронта как целого, при этом свой вклад вносят и микронеустойчивости пучка отраженных ионов, однако они развиваются на фоне нестационарных процессов;
-выдвинута и обоснована гипотеза о нестационарностй структуры фронта при переходе числа Маха через некоторое критическое значение и проведено сопоставление модели нестационарной структуры с экспериментальными данными;
—для установления типа колебаний во фронте бесстолкновительяых ударных волн впервые применена методика, основанная на анализе функции когерентности и фазы взаимного спектра двух измеренных компонент магнитного поля, в результате чего установлено, что колебания в области подножия относятся к свистовой части быстрой магнитозвуковой ветви и имеют эллиптическую поляризацию;
-показано, что быстрые магиитозвуковые волны за фронтом ударной волны имеют существенно' отличные поляризационные свойства, и установлен источник, их возбуждающий;
-показано, что ускорение электронов в окрестности фронта квазиперпендикулярных бесстолкновительных ударных волн обусловлено взаимодействием со свистовыми колебаниями в области подножия ударной волны;
-при исследовании задачи о релаксации пучка отраженных электронов и механизмов генерации электромагнитных волн в окрестности фронта БУВ возникает ряд вопросов таких как вопрос о развитии модуляционной неустойчивости в слабом магнитном поле, оценка уровня ленгмюровских колебаний и
интенсивности излучения электромагнитных волн при релаксации электронного пучка в режиме сильной турбулентности, в этой связи в работе рассмотрена іадача о модуляционной неустойчивости ленгмюровских колебаний в магнитном поле и решена задача о генерации электромагнитных волн в режиме сильной турбулентности;
-предложен новый метод исследование устойчивости ограниченных плазменных систем.
Научная и практическая ценность. В работе представлены результаты решения важной научной задачи: выполнено исследование структуры фронта квазиперпендикулярных сверхкритических БУВ и динамических особенностей физических процессов во фронте таких ударных волн. Автором выполнено теоретическое обобщение большой совокупности экспериментальных данных, результатом чего стало создание модели ударной волны при больших числах Маха. Эта задача имеет принципиально важное значение для понимания физических процессов при взаимодействии солнечного ветра с магнитосферой Земли. Результаты имеют достаточно общин характер, что прямо следует из сопоставления структуры фронта околоземной ударной волны со структурой фронта ударных волн вблизи Урана и Юпитера, они могут найти приложение для широкого круга задач плазменной астрофизики и физики лабораторной плазмы. Одним из таких приложений является использование этих результатов для дистанционной диагностики процессов, происходящих в области фронта квазиперпендикулярных БУВ. Научная и практическая значимость определяется также значимостью выносимых на защиту положений:
теоретическое исследование структуры фронта квазиперпендикулярньи сверхкритических БУВ при больших числах Маха и развитие модели такой нестационарной структуры имеет важное значение для понимания физических процессов при взаимодействии солнечного ветра с магнитосферой Земли и
планет Солнечной системы;
установление типа колебаний, определяющих процесс диссипации энергии набегающего потока в сильных БУВ, и выявление механизмов их генерации дает ответ на принципиально важный для физики БУВ вопрос каким образом происходит диссипация энергии набегающего потока, оценка уровня колебаний дает возможность оценить темп передачи энергии, и распределение ее между различными сортами частиц;
теория ускорения электронов во фронте сильных БУВ.дает возможность при планировании последующих космических экспериментов, использовать потоки энергичных электронов как предвестник БУВ, наличие которого позволяет существенно повысить эффективность измерений;
создание модели, описывающей релаксацию пучка отраженных электронов, и установление механизмов генерации высокочастотных ленгмюровских и электромагнитных колебаний в окрестности фронта сильных квазиперпендикулярных БУВ дает возможность осуществлять дистанционную диагностику физических процессов во фронте сильных БУВ;
исследование модуляционной неустойчивости ленгмюровских волн в магнитном поле имеет принципиально важное значение для задачи о релаксации пучка в плазме, где ыРв > Пе;
анализ процессов генерации радиоизлучения вблизи первой и второй гармоник плазменной частоты в режиме сильной ленгмгоровской турбулентности, важен для таких задач как теория солнечных радиовсплесков второго и третьего; типов, а также в задачах о генерации радиоизлучения при релаксации интенсивных электронных пучков в космической и лабораторной плазме;
предложенный подход к исследованию задачи об устойчивости ограниченных плазменных систем важен для целого ряда задач плазменной электроники в устройствах, где сильное магнитное поле делает движение одномерным.
На зашиту выносится следующие основные положения: 1) выполнено теоретическое исследование структуры фронта квазилер-ішідикулкриьіх сверхкритических БУВ при больших числах Маха, в результате которого показано, что при числах Маха больших некоторого критического происходят крупномасштабные квазипернодическне колебания параметров фронта, числа отраженных ионов и т.д., которые сопровождаются генерацией нелинейных свистовых волн, т.е. структура фронта не является стационарной, предложена модель такой нестационарной структуры;
2)в результате анализа экспериментальных данных, полученных в эксперименте на борту космического аппарата Прогноз-10-Интершок, установлен run колебаний, определяющих процесс диссипации энергии набегающего потока,— это нелинейные свистовые волны в подножии квазинерпендикулярной БУВ, и выявлены механизмы их генерации;
-
выполнено сопоставление предложенной теоретической модели нестационарной структуры фронта сверхкритической БУВ с экспериментальными данными, полученными в космических экспериментах Прогноз-10-Интершок, AMPTE-UKS, Voyager, в результате которого показано, что как данные волновых измерений так и данные измерений функций распределения частиц наилучшим образом согласуются с нестационарной моделью БУВ;
-
построена теория ускорения электронов во фронте таких волн с учетом как быстрого Ферми-процесса при взаимодействии со свистовыми колебаниями в' области подножия квазиперпендикулярной БУВ и в области скачка характерных параметров плазмы м электромагнитных полей, так и процесса турбулентного ускорения на нижнегибридных колебаниях, показано, что для типичных параметров околопланетных ударных волн быстрый Ферми-процесс при взаимодействии со свистовыми колебаниями в области подножия квазиперпендикулярной БУВ оказывается более эффективным чем турбулентное ускорение на нижнегибридных колебаниях;
5) предложена модель генерации высокочастотных ленгмюровских и
электромагнитных колебаний в окрестности фронта квазиперпендикулярных
БУВ и проведено ее сопоставление с экспериментом, показавшее хорошее
согласие теории и эксперимента;
-
выполнен учет влияния магнитного поля на развитие модуляционной неустойчивости ленгмюровских волн, и в рамках задачи о релаксации пучка в плазме, где а»ре > Л», исследован процесс генерации радиоизлучения вблизи первой и второй гармоник плазменной частоты в режиме сильной ленгми>-ровской турбулентности,
-
развит новый подход к исследованию задачи об устойчивости ограниченных плазменных систем, в рамках этого подхода показано, что сильный двойной слой в достаточно длинной системе неустойчив и получен достаточный критерий устойчивости.
Апробация работы. Основные результаты работ, составивших содержание диссертации, докладывались автором диссертации или его соавторами на XXYI и XXYII сессиях СОБРАН (Тулуза, Франция, 1986 г., Хельсинки, Финляндия, 1988 г.), на объединенных международных рабочих группах и школах по плазменной астрофизике (Сухуми, 1986 г., Варенна, Италия, 1988 г.), на Международном симпозиуме по беесголкновительным ударным волнам (Балатонфю-ред, Венгрия; 1987 г.), на II международной рабочей группе по нелинейным и турбулентным процессам в плазме (Киев, 1983), на Международной школе по физике плазмы и УТС (Телави, 1984 г.), на международном совещании по результатам проекта Интершок (Тбилиси, 1988), на Международном рабочем совещании по теоретическим проблемам космической электродинамики (Абас-тумани, 1982 г.), на советско-индийском семинаре по плазменной астрофизике (Москва, 1980), на рабочей группе по физике двойных слоев в плазме (Сочи, 1983), на рабочей группе по ускорению частиц в лабораторной и космической
плазме (Сочи, 1985), на 1-ом Всесоюзном совещании по физике космической плазмы (Горький, 1984 г.).
Структура работы. Диссертация состоит из предисловия, четырех глав, 36 рисунков и списка литературы из 212 наименований. Общий объем 2S5 страниц.
