WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ДУМИН Юрий Викторович ДИНАМИКА ИСКУССТВЕННОГО ПЛАЗМЕННОГО ОБЛАКА В ИОНОСФЕРЕ НА НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ РАЗЛЕТА 01.04.03 – Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Троицк – 2008

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН)

Научный консультант: кандидат физико-математических наук Бадин Владимир Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Белый Вячеслав Владимирович доктор физико-математических наук Романовский Михаил Юрьевич

Ведущая организация: Государственный Научный Центр Российской Федерации “Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований”

Защита состоится 2 декабря 2008г. в 11:00 на заседании диссертационного совета Д 002.237.01 при ИЗМИРАН по адресу: 142190 г. Троицк Московской обл, ИЗМИРАН. (Проезд от ст. метро “Теплый Стан” авт. № 531, 508, 512, 515 или 398 до остановки “ИЗМИРАН”.)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН.

Автореферат разослан 30 октября 2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.237.01 доктор физико-математических наук Михайлов Ю.М.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одним из наиболее важных явлений, наблюдаемых при искусственных выбросах плазмообразующих веществ в ионосферу и магнитосферу Земли, является генерация широкого спектра волновых возмущений, изучение которых интересно как само по себе, так и с точки зрения индуцированных ими процессов. Это, например, возбуждение ионосферно-магнитосферного альвеновского резонатора с сопутствующим высыпанием высокоэнергичных частиц, раскачка электростатических колебаний, которые могут приводить к дополнительной ионизации плазмы (так называемый эффект критической ионизационной скорости) и т.д.

Большинство электродинамических моделей искусственного плазменного облака, разработанных к настоящему времени, предназначены для его описания на сравнительно больших временах после момента инжекции. Гораздо меньшее внимание было уделено динамике плазмы на ранней стадии расширения. Именно этому кругу вопросов и посвящена диссертация. Акцент сделан, в частности, на разработке эффективной математической методики, позволяющей проследить в явном виде зависимость генерируемых электрических полей и токов от параметров плазмы и характера ее движения, что открывает возможности для оптимизации активных космических экспериментов.

Еще один важный аспект диссертации – более аккуратный расчет параметров ионизованного газа на самой ранней стадии расширения. Из-за возможности возникновения сильно-неравновесных состояний (в частности, со значительной кулоновской неидеальностью), электрические характеристики такого газа могут сильно отличаться от “классических” и, тем самым, требуют специального теоретического анализа.

Цель работы:

1. Разработать аналитические или полуаналитические методы расчета генерации электрических полей и токов разлетающимся облаком плазмы, которые, в частности, могли бы достаточно эффективно использоваться и для оптимизации активных космических экспериментов (т.е., например, определения параметров плазмы, при которых достигается максимальная амплитуда возмущений).

2. Изучить физические процессы на самой ранней стадии разлета облака (порядка одной миллисекунды от момента инжекции), которые могут оказывать существенное влияние на параметры плазмы (прежде всего, ее электропроводность), определяющие характеристики генерируемых электромагнитных возмущений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан метод построения аналитических решений уравнений динамо-эффекта, создаваемого сферически-симметричным однородным облаком на начальной (инерционной) стадии разлета, при любой степени анизотропии электропроводности плазмы (т.е. при произвольном соотношении между коэффициентами продольной, педерсеновской и холловской проводимости).

2. С помощью вышеупомянутого метода найдены точные решения уравнений динамо-эффекта для конкретных типов граничных условий на поверхности разлетающегося облака.

3. Установлено, что при определенных соотношениях между термодинамическими и кинетическими параметрами инжектируемого газа плазма вскоре после момента образования может перейти и в течение некоторого времени существовать в состоянии с сильной кулоновской неидеальностью.

4. Предложен метод приближенного вычисления функции распределения электронов в режиме сильной связи, и на основе этой функции сделаны оценки концентрации свободных носителей заряда и других свойств сильно-неидеальной плазмы.

Научная и практическая ценность работы:

1. Основным достоинством развитого в диссертации метода решения уравнений динамо-эффекта (в частности, по сравнению с численными решениями) является возможность легко проследить зависимость полей и токов, генерируемых в заданной точке пространства, от всех параметров, фигурирующих в исходных уравнениях. Это открывает возможность, с одной стороны, проводить оптимизацию активных космических экспериментов по требуемым параметрам, а с другой стороны, могло бы послужить в будущем основой для построения эффективной методики решения обратной задачи динамо-эффекта, т.е. нахождения коэффициентов электропроводности (а через них и других характеристик плазмы) по измеряемым радиофизическими методами электрическим полям и токам.

2. Установленная в диссертации возможность перехода искусственно инжектированной в космическое пространство плазмы в состояние с большим параметром кулоновской связи (на некотором временном интервале вскоре после момента инжекции) может служить еще одним, наряду с развитием плазменной турбулентности, механизмом формирования аномальных электрических свойств плазмы.

3. Найденная в диссертации эффективная функция распределения электронов в режиме сильной кулоновской неидеальности и основанная на ней методика вычисления концентрации свободных носителей заряда и других характеристик сильно-неидеальной плазмы может быть успешно применена как для описания активных экспериментов в космосе, так и для интерпретации лабораторных экспериментов с ультрахолодной плазмой в магнито-оптических ловушках, которые стали активно проводиться в последние несколько лет.

На защиту выносятся:

1. Методика аналитического решения уравнений динамо-эффекта в однородно расширяющемся плазменном шаре с произвольной степенью анизотропии электропроводности, основанная на разложении по обобщенной системе сферических функций.

2. Классификация возможных типов временного поведения параметра кулоновской неидеальности плазмы e* на начальной стадии разлета в зависимости от кинетических и термодинамических параметров газа.

3. Метод построения эффективной функции распределения электронов в состоянии с сильной кулоновской неидеальностью; оценки концентрации свободных носителей заряда и других характеристик сильнонеидеальной плазмы с помощью этой функции распределения.

Обоснованность и достоверность результатов:

1. Достоверность выносимых на защиту результатов, связанных с исследованием трехмерной задачи динамо-эффекта, основана на том, что они представляют собой точные решения уравнений динамо-эффекта, справедливость которых легко может быть проверена непосредственной подстановкой в исходные уравнения.

2. Обоснованность моделей, используемых при исследовании перехода плазмы в сильно-неидеальное состояние, а также свойств плазмы в таком состоянии, подтверждается, прежде всего, результатами лабораторных экспериментов с аналогичными состояниями плазмы в магнито-оптических ловушках. Это, в частности, – измерения предельных значений параметра кулоновской неидеальности [C.E. Simien, et al., Phys. Rev. Lett., v.92, p.143001 (2004)] и закона изменения со временем температуры электронов в холодной, свободно расширяющейся плазме [R.S. Fletcher, et al., Phys. Rev. Lett., v.99, p.145001 (2007)].

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференции “Space Radiation Environment Modelling: New Phenomena and Approaches” (НИИЯФ МГУ, Москва, 1997 г.), международной зимней школе-симпозиуме “Коуровка-98” (Кыштым, Челябинская обл., 1998 г.), международном симпозиуме “Space Plasma Studies by In-Situ and Remote Measurements” (ИКИ РАН, Москва, 1998 г.), 2-й международной конференции “Problems of Geocosmos” (СПбГУ, СанктПетербург, 1998 г.), XXVI Звенигородской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, Московская обл., 1999 г.), международной научной конференции “Дифференциальные и интегральные уравнения” (Чебаркуль, Челябинская обл., 1999 г.), II международной конференции “Low Temperature Physics in Microgravity Environment” (Черноголовка, Московская обл., 1999 г.), конференции “Physics of Space: Growth Points and Problems” (Парижская обсерватория, Франция, 2000 г.), 33-й научной ассамблее COSPAR (Варшава, Польша, 2000 г.), XXIII международном коллоквиуме “Group Theoretical Methods in Physics” (ОИЯИ, Дубна, Московская обл., 2000 г.), коллоквиуме “Космические взрывы” (ГАИШ МГУ, Москва, 2000 г.), европейской конференции “Hypersonic and Aerothermic Flows and Shocks, and Lasers: Plasma-RadiationSurface Interactions” (Парижская обсерватория, Франция, 2001 г.), XXV международной конференции “Phenomena in Ionized Gases” (Нагоя, Япония, 2001 г.), международном семинаре “Formation of Correlations: Nonequilibrium Physics at Short Time Scales VII” (Физический центр БадХоннеф, Германия, 2002 г.), европейской конференции “Hyperbolic Models in Astrophysics and Cosmology” (Математический институт им. И. Ньютона, Кембридж, Великобритания, 2003 г.), осеннем колледже по физике плазмы “Long-Lived Structures and Self-Organization in Plasmas” (Международный центр теоретической физики им. А. Салама, Триест, Италия, 2003 г.), международной конференции и семинаре “Rydberg Physics” (Институт физики комплексных систем им. М. Планка, Дрезден, Германия, 2004 г.), 35-й научной ассамблее COSPAR (Париж, Франция, 2004 г.), трех международных конференциях “Atomic Physics” (Институт физики комплексных систем им. М. Планка, Дрезден, Германия, 2005, 2006 и 2007 гг.), летнем колледже по физике плазмы “New Developments” (Международный центр теоретической физики им. А. Салама, Триест, Италия, 2007 г.) и конференции “Turbulent Mixing and Beyond” (Международный центр теоретической физики им. А. Салама, Триест, Италия, 2007 г.).

Кроме того, материалы диссертации докладывались и обсуждались на рабочих семинарах в ИЗМИРАН (Троицк, Московская обл.), ГАИШ МГУ (Москва) и Калифорнийском университете (Лос-Анджелес, США).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 работ, 13 основных публикаций приведены в конце автореферата; из них в журналах, входящих в список ВАК, опубликовано 10 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и списка цитированной литературы. Работа содержит 108 страниц печатного текста, в том числе 11 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 74 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, в частности, отмечена актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, аргументирована ее научная новизна, научная и практическая значимость, перечислены основные положения, выносимые на защиту. Далее перечислены научные конференции и семинары, на которых проводилась апробация различных аспектов работы, разъяснено, каков личный вклад автора и его соавторов в представленные в диссертации результаты, описана структура и объем работы и резюмировано ее содержание по главам.

В первой главе изложена история активных плазменных экспериментов в околоземном космическом пространстве. Ввиду обширности обсуждаемой темы основной акцент сделан на двух ее аспектах. Во-первых, это – самые первые эксперименты по искусственной инжекции (с конца 1940-х до конца 1960-х годов), которые положили начало данной области исследований и привлекли в то время значительное внимание всего физического и геофизического сообщества. И, во-вторых, это – ряд более поздних экспериментов, проводившихся в (или с участием) СССР и России в 1980-е и 1990-е годы, а также наиболее интересные иностранные работы.

Вторая глава занимает центральное место в диссертации. Она посвящена рассмотрению динамо-процессов в искусственном плазменном облаке на ранней стадии его разлета (т.е. когда механическим воздействием со стороны окружающего газа можно пренебречь). При этом основное внимание уделено исследованию “электростатической” моды возмущений, так как именно она наиболее существенна для таких процессов активного воздействия на ионосферу и магнитосферу, как ускорение заряженных частиц, генерация продольных токов и т.п. Особый акцент сделан на нахождении аналитических решений, позволяющих проследить в явном виде зависимость генерируемых полей и токов от фигурирующих в электродинамических уравнениях параметров (прежде всего, коэффициентов электропроводности плазмы, а также скорости разлета и размеров облака).

Наличие таких зависимостей является полезным инструментом при планировании и оптимизации активных космических экспериментов, а в перспективе может послужить основой и для разработки строгой математической методики решения обратной задачи динамо-эффекта, т.е. нахождения параметров плазмы по регистрируемым радиофизическими методами электромагнитным возмущениям от разлетающегося облака.

Для описания динамо-эффекта в “квазистационарном” приближении (т.е. когда токами смещения пренебрегается) используется система уравнений, включающая в себя:

1) стационарное уравнение непрерывности электрического тока (1) 2) обобщенный закон Ома, выражающий плотность тока j через продольную 0, педерсеновскую P и холловскую H проводимости (2) 3) выражение для напряженности электрического поля E в системе координат, движущейся со скоростью V (3) где – электрический потенциал, а B0 – напряженность внешнего магнитного поля.

Поле скоростей V в сферическом однородно расширяющемся газовом облаке на начальной (инерционной) стадии разлета задается модельным выражением (4) (условия его применимости обсуждаются в Приложении A).

Для конкретной геометрии плазменного облака, изображенной на рисунке, система уравнений (1)–(4) может быть сведена к единственному дифференциальному уравнению в частных производных для электрического потенциала:

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»