Київський університет

імені Тараса Шевченка

Коцаренко Анатолій Миколайович

УДК 533.951

ХВИЛЬОВІ ПРОЦЕСИ В ПИЛОВІЙ ПЛАЗМІ КОСМОСУ

Спеціальність 01.04.02 - теоретична фізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 1998

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі астрономії та фізики космосу Київського університету імені Тараса Шевченка та в науковому центрі CIICAp, UAEM, Mexico.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук

с.н.с. Мусатенко Сергій Іванович,

Астрономічна обсерваторія

при Київському університеті імені Тараса Шевченка

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

профессор Юхимук Адам Корнілович

зав.відділом космічної плазми ГАО НАН Украіни

доктор фізико-математичних наук

професор Мальнев Вадим Миколайович

Київський університет імені Тараса Шевченка

кафедра квантової теорії поля

Провідна організація: Харківський державний університет.

Захист відбудеться «13» квітня 1999 р. o 14:30 й годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.08 по захисту докторських дисертацій на фізичному факультеті Київського університу імені Тараса Шевченка за адресою: 252022, Київ-22, Пр-т Глушкова, 6.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці фізичного факультету Київського університу імені Тараса Шевченка за адресою: 252022, Київ-22, Пр-т Глушкова, 6.

Автореферат розісланий «10» березня 1999 р.

Вчений секретар Поперенко

спеціалізованої вченої ради Леонід Володимирович

доктор фіз.-мат. наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. За останні десятиріччя в фізиці плазми виділився порівняно новий самостійний напрямок - фізика пилової плазми. Проводяться окремі симпозіуми та конференції, присвячені пиловій плазмі, у програму конференцій з фізики плазми включаються секції з пилової плазми. Виявилось, що пилова плазма, яка складається з електронів, іонів та заряджених частинок (гранул, пилинок), є досить розповсюдженим об’єктом як у космосі, так і в лабораторних умовах. Так, її зустрічають у міжзоряному просторі, в кільцях планет-гігантів, у плазмових хвостах комет та ін. Випадіння фрагментів комети Шумейкерів-Леві 9 призвело до генерації великої кількості пилу, що також певним чином могло мати вплив на флуктуації радіовипромінювання Юпітера в той період часу. Лабораторна плазма включає пилову плазму у багатьох випадках, оскільки завжди є процеси, які викликають руйнування стінок та електродів у лабораторних умовах і призводять до виникнення пилових компонентів. Негативну роль грає цей процес у термоядерних установках. В іоносфері та атмосфері Землі природними джерелами пилової плазми є метеорні потоки, вулканічні вибухи та вибухи штучного походження, тайфуни та землетруси, ракетні запуски, газові факели, лісові пожежі, тощо.

Теорію пилової плазми та врахування впливу пилової компоненти на властивості звичайної плазми зараз розроблено недостатньо.

Типові розміри гранул лежать у межах від долей до сотень мікрон, заряди - порядку одиниць-десятків для позитивно заряджених частинок і досягає десятків тисяч для частинок, які заряджені негативно, маси - в тисячі разів перевищують масу протона. Це призводить до того, що плазмові та циклотронні частоти гранул виявляються аномально низькими навіть у порівнянні з іонними циклотронними частотами. Тому в космічних умовах присутність пилової плазмової компоненти обумовлює різноманітні повільно змінні просторові структури (шпиці у кільцях планет-гігантів, конденсати у плазмових хвостах комет та ін.). Виключно цікавим результатом є властивість пилової плазми при достатньо великій густині гранул (але значно меншій від густини електронів) до самоорганізації з утворенням кулонівських кристалів різноманітної симетрії.

Розмір часток R пилової плазми, як вже було відмічено, досягає від мікрона до сотень мікрон, заряд часток Q, викликаний різними процесами як у об’ємі плазми (у тому числі космічній), обумовлений електронами та їх потоками. Негативний заряд, викликаний електронами досягає величини , де , - константа Больцмана,- температура електронів і е - заряд електрона. Таким чином зарядове число залежить від розміру частинки, на яку осідають електрони, та температури плазми і як показують досліди . Якщо у формуванні заряду головну роль відіграє фотоемісія, то заряд буде позитивним. Саме цей результат був отриманий у кометі Галлея (політ станцій Vega і Giotto). Середній потенціал часток у хвості комети був +7V , тоді коли у ядрі комети він був від’ємний (-7V).

З іншого боку, пилова плазма відіграє переважну роль у формуванні зв’язків літосфера-атмосфера-іоносфера. Вивчення таких зв’язків та їх використання лягли в основу нового напрямку досліджень - метеорологічна електроніка, який відкриває новий етап у дослідженні взаємозв’язків атмосфери і ближнього космосу та таких грізних явищ природи, як землетруси та вулканічні вибухи. При цьому слід брати до уваги пилову плазму ближнього космосу та атмосфери Землі. Розміри іоносферних пилових частинок, які заряджені негативно, досягають нм, заряд , концентрація частинок см. Тут присутні також і такі частинки, які заряджені позитивно. Позитивний заряд обумовлений в основному фотоемісією. Якщо частки створюються за рахунок осідання електронів, їх параметри дещо інші: , заряд -80 та см. Саме ці параметри викликають ряд цікавих хвильових процесів, які переносять енергію від літосфери в іоносферу через атмосферу.

Вивчення пилової плазми ведеться досить інтенсивно як теоретично, так і експериментально. У лінійному та нелінійному наближеннях вивчено спектр хвиль, розвиток солітонних збурень, електростатичних нестійкостей, нестійкостей Релєя-Тейлора і Кельвіна-Гельмгольца тощо. Однак вивчення літератури показало, що деякі цікаві та важливі питання фізики пилової плазми виявились нерозкритими (спектри альфвенівських та магнітозвукових хвиль, поверхневих хвиль в моделі з напівобмеженою плазмою і плазмовим циліндром, властивості пилових та іонних акустичних солітонів, тощо) .

Зв’язок з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилась в рамках міжнародних наукових проектів «Попередження» та «Study of acoustic and electromagnetic phenomena on volcano Popocatepetl».

Мета роботи

n

n визначення спектру електромагнітних та кінетичних альфвенівських хвиль в пиловій плазмі та поверхневих хвиль в замагніченій пиловій плазмі;

n теоретична інтерпретація взаємодії низькочастотних атмосферних акустичних хвиль з пиловою іоносферною плазмою .

Наукова новизна.

n

n Запропонована нова фізична модель акустичного каналу переносу енергії від літосфери в іоносферу через атмосферу Землі, яка базується на аналізі хвильових процесів в навколоземній космічній пиловій плазмі та трансформації акустичних хвиль літосфери у різні хвилі в іоносферній пиловій плазмі.

n Розроблено нові теоретичні моделі, які описують спостережені космічні структури та літосферно-атмосферно-іоносферні явища при наявності пилової компоненти плазми.

Практична новизна

n

n Моделі хвильових явищ у космічній пиловій плазмі, включаючи пилову плазму іоносфери, лягли в основу розробки нового типу мульти-метеорологічної станції, яка може бути використана для дистанційного контролю як з борту супутника, так і з поверхні Землі. Наземний тип такої станції створюється зараз у Мексиці для контролю і вивчення акусто-електромагнітних явищ в пилових хмарах вулкану Popocatepetl, що знаходиться біля таких великих міст, як столиця Mexico (55 km), Puebla (45 km), Cuernavaсa (64 km).

Особистий вклад здобувача В роботах [1-4] здобувач особисто брав участь у підготовці та проведенні спостережень радіовипромінювання Юпітера під час випадіння фрагментів комети Шумейкерів-Леві 9, обробці та обговоренні результатів; чисельних розрахунках, аналітичному аналізу та формулюванні висновків в роботах [5-7]; обговоренні постановки задач та інтерпретації результатів в публікаціях [8-15].

Апробація роботи. Основні результати дисертації доповідались і обговорювались на наукових семінарах: Інституту астрофізики, оптики та електроніки INAOE, Puebla, Mexiсo, Іституту геофізики UNAM, Mexico-city, Mexico, центру досліджень CIICAp, Cuernavaca, Mexico, семінарах кафедри астрономії та фізики космосу і кафедри теоретичної фізики фізичного факультету Київського університету імені Тараса Шевченка;

третіх Міжнародних Всехсвятських читаннях, присвячених 90-річчю С.К.Всехсвятського "Фізика, динаміка та космогонія малих тіл сонячної системи, фізика Сонця та геліосфери", Київ, 1998;

на міжнародних конференціях: The 26th Annual Meeting of the Division for Planetary Sciences, 1994, Washington, DC.; IAU Colloquium 156, Baltimore, Maryland, USA, 1995; International Workshop on Seismo Electromagnetics, 1997, Chofu Tokyo 182, Japan; Natural Hazards NH. General Assembly, Vienna, Austria, 1997; 8th Scientific Assembly of IAGA with ICMA and STP Symposia, Uppsala, Sweden, 1997; Union Geofisica Mexicana, Reunian Anual Noviembre 1997, Puerta Vallarta, Mexico; SCS: 1998 Conference on Mission Earth: Modeling and Simulation of the Earth System. 1998, San Diego.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 15 роботах, з яких [4-7] є науковими статтями в вітчизняних та міжнародних реферованих журналах, [1-3] та [8-15] - тезами міжнародних та вітчизняних конференцій та семінарів.

На захист виносяться такі положення:

1.

2.

3.

Основна частина роботи складається із вступу, трьох розділів, заключення та списку цитованої літератури.

У Вступі обгрунтована актуальність теми та наукова новизна роботи, коротко описана її структура. Викладена мета роботи.

Перший розділ роботи включає аналіз літератури та передумов написання даної роботи.

Проведено класифікацію хвиль в космічній пиловій плазмі: іонна акустичні, пилові акустичні, циклотронні коливання, низькочастотні електромагнітні хвилі, кінетичні альвенівські хвилі, поверхневі хвилі, іонно-акустичні солітони, пилові акустичні солітони.

Класифікація пилової плазми та її параметрів, що приведено в цьому розділі, демонструється таблицею №1.

В розділі I показується, що в мультикомпонентній плазмі, включаючи пилову компоненту, можливі як лінійні, так і нелінійні (останні див. розділ II) хвилі, властивості яких суттєво залежать від параметрів та типу плазми. Оскільки ці параметри можуть значно змінюватись у разі наявності в ній пилової компоненти, на прикладі відомих та оригінальних результатів проаналізовано окремо вплив пилової компоненти на спектр хвиль.

Таблиця № 1

Тип плазми | заряд гранул,

- | розміри гранул, |

густина гранул,

см

іоносферна пилова плазма |

80

-1 | 0,06

0,02 | 10- 10

10

плазма хвостів комет | 400 | 1 | 10- 10

плазма кілець планет-гігантів | 10- 10 | 1 | 10- 10

Відоме дисперсійне співвідношенням для електростатичних хвиль у гідродинамічному наближенні

, де , , - ленгмюрівські частоти електронів, іонів та заряджених частинок відповідно, - теплові швидкості ( тут і надалі наведено в енергетичних одиницях), дає розв’язки для:

а) Іонно-акустичних хвиль

(, , ): , або , де , - дебаєвський радіус електронів.

З неї видно, що присутність негативно заряджених частинок збільшує швидкість іонно-акустичної хвилі у порівнянні з електрон-іонною плазмою. Відмітимо, що для (як на прикладі кілець Сатурна) умова існування іонно-акустичних хвиль може виконуватись навіть для випадку ізотермічної плазми .

б) пилових акустичних хвиль (у випадку дуже низької частоти для повільних хвиль ):

.

Такі хвилі є настільки повільними, що в їх полі не тільки електрони, але також і іони є розподіленими відповідно до формули Больцмана.

Розглядаються електростатичні осциляції з хвильовим вектором у випадку холодної мультикомпонентної плазми в присутності магнітного поля (- кут між напрямком хвилі та орієнтацією магнітного поля). Для них дисперсійне рівняння приймає вигляд: ,де , , - циклотронні частоти електронів, іонів та заряджених пилових частинок відповідно.

Для низьких частот рівняння набуває вигляду і описує коливання заряджених частинок на циклотронних частотах.

Для інтервалу вищих частот маємо розв’язок ,

і у випадку та (якщо ) розв’язок для нижньої гібридної моди , з якого видно, що частота нижньої гібридної хвилі в пиловій плазмі з негативними частинками на порядок вища від тієї ж частоти для електрон-іонної плазми у відсутності пилових частинок.

Розглядається типовий випадок кінетичної нестійкості для системи, що складається зі стаціонарних електронів (), іонів (), негативно заряджених пилових частинок (, заряд ), іонного струму () з тепловою швидкістю та швидкістю дрейфу .

Критерій нестійкості визначає, що для досить великої швидкості дрейфу , , де є швидкістю пилової акустичної хвилі, уявна частина частоти хвилі у розв’язку для частот стає негативною, отже, з’явиться нестійкість пилової акустичної хвилі, яка обумовлена іонним потоком. Така ситуація має місце в кільцях планет-гігантів, плазмових кометних хвостах тощо.

Астрофізичне застосування цих результатів робиться в окремому підрозділі, де наводиться малюнок шпиць Сатурна, як приклад ефекту розвитку нестійкостей. В кільцях Сатурна також є всі умови для розвитку різноманітних двохпучкових нестійкостей. Бiльш легкі плазмові частинки в кільцях (електрони та іони) рухаються разом з азимутальною швидкістю , близькою до швидкості обертання планети, а важкі пилові частинки рухаються з азимутальною швидкістю, близькою до Кеплеровської . Відносна швидкість дрейфу може бути порівняною або більшою від іонної теплової швидкості. У цьому випадку можуть мати місце нестійкості, що є аналогічними нестійкості Бунемана. Ці нестійкості можуть створювати просторові структури з періодом від сотень до десятків мільйонів кілометрів. Просторові структури аналогічного великого масштабу формуються у пиловій плазмі хвостів комет під час їх взаємодії з сонячним вітром. Так, вoни можуть бути причиною формування променів у хвостах комет та конденсатів.

Ще одним цікавим прикладом впливу пилової компоненти на колективні властивості плазми виявився ефект формування кулонівського кристалу. Суть кулонівського кристалу полягає у слідуючому. Для звичайної класичної плазми є співвідношення між середньою кулонівською енергією та кінетичною енергією системи заряджених частинок , де , Тут є електричним зарядом частинки, - відстань між частинками , що визначається густиною частинок та температурою . Відомо, що коли значення перевищує критичну величину (), формується кулонівська гратка, іншими словами - кулонівський кристал. В електрон-іонній плазмі, де дорівнює заряду електрона , умова кристалізації набуває вигляду і вимагає від системи таких умов, як висока густина та низька температура, отже, їх досить важко задовольнити. Однак для пилової плазми , і середня потенціальна енергія заряджених частинок при умові може бути значно вищою, ніж середня потенціальна енергія електронів та іонів. Тоді ця умова може бути виконана, і реалізується можливість формування кулонівських кристалів. Таку умову для пилової плазми, , можна виконати і у лабораторній плазмі, що і було зроблено Chu та Lin (1994) в сильно зв’язаній пиловій плазмі.

У другому розділі роботи детально розглядуються всі коливання та хвилі, про які було згадано в розділі І. Найбільша увага приділяється розгляду альфвенівських та низькочастотних електромагнітних хвиль.

Проналізовано загальне дисперсійне співвідношення для хвиль у холодній замагніченій плазмі у відсутності зіткнень для частот :

, де , та - компоненти тензора проникненості:

, де пилова компонента дає свій внесок, а і - ленгмюрівська та циклотронна частоти заряджених частинок.

На дуже низьких частотах , значенням є , де . Для цього випадку розв’язки відомі:

, ,

для швидкої магнітоакустичної та альфвенівської хвиль відповідно, де пилова плазма дає внесок тільки до альфвенівської швидкості.

В роботі розглянуто ширшу смугу частот , для яких знайдено відповідні значення елементів тензора , , де значення для проникненості: , і є альфвенівською швидкістю у відсутності пилової компоненти. Знайдено розв’язки для хвиль як для напрямків поширення : (Мал.1) та : (Мал.2), так і для загального випадку (залежність якісним шляхом реконструйовано з часткових розв’язків для кожного кута і на усьому частотному інтервалі, Мал. 3).

Малюнок 1. Низькочастотні електромагнітні хвилі для кута . (а) Лівостороння ротація: у частотному інтервалі хвиля є повільною, в інтервалі - швидка хвиля; (b) Правостороння ротація: хвиля існує в частотному інтервалі .

З’являється нова гібридна частота, що дорівнює для всіх напрямків , а частота відсікання в усіх випадках є однаковою . Таким чином показано, що в холодній пиловій плазмі з частотами, нижчими за циклотронну частоту частинок , можуть поширюватись тільки повільна альфвенівська та магнітоакустична хвилі, для яких альфвенівська швидкість визначається масами усіх трьох плазмових компонент: іонів, електронів та заряджених частинок. В частотному інтервалі для фіксованих частот та кута , має місце поширення двох типів хвиль {або один тип в інтервалі частот ()}, характеристичні швидкості хвиль у разі визначаються тільки густинами електронів та іонів. Недалеко від частоти відсікання , що не залежить від кута , хвилі можуть мати швидкості більші за або .

Малюнок 2. Низькочастотні електромагнітні хвилі для випадку . В діапазоні частот хвиля є повільною; на інтервалі - швидкою.

Малюнок 3. Альфвенівська та магнітоакустичні хвилі для фіксованих частоти та кута . Видно, що існують дві характеристичні альфвенівські швидкості: мала швидкість з вкладом пилової компоненти , та велика - для звичайної електрон-іонної плазми . Дві моди мають швидкості, меншу за величину , і одна мода є з фазовою швидкістю .

Таким чином показано, що в холодній пиловій плазмі з частотами, нижчими за циклотронну частоту частинок , можуть поширюватись тільки повільна альфвенівська та магнітоакустична хвилі, для яких альфвенівська швидкість визначається масами усіх трьох плазмових компонент: іонів, електронів та заряджених частинок. В частотному інтервалі для фіксованих частот та кута , має місце поширення двох типів хвиль {або один тип в інтервалі частот ()}, характеристичні швидкості хвиль у разі визначаються тільки густинами електронів та іонів. Недалеко від частоти відсікання , що не залежить від кута , хвилі можуть мати швидкості більші за або .

Розглянуто кінетичні альфвенівські хвилі. Показано, на інтервалі вони мають той же самий закон дисперсії, що і у випадку електрон-іонної плазми, але їх альфвенівська швидкість визначається масами усіх трьох компонент, включаючи і гранули. Роль іонно-циклотронного радіуса відіграє параметр , де - швидкість об’ємної пилоакустичної хвилі. Але в інтервалі характер хвиль змінюється і з’являється нова характеристична частота . На інтервалі хвиля веде себе, як кінетична альфвенівська хвиля з негативним внеском

У цьому розділі розглядаються також поверхневі хвилі, фактично коливання. Ці коливання обумовлені рухом заряджених частинок пилу, що призводить до зменшення потенціалу екранування. Тому інтервал для частот поверхневих хвиль обмежено ленгмюрівською та циклотронною частотою частотами заряджених частинок.

В декартовій геометрії існує мінімум для хвильового вектора і поверхневі хвилі є повільними: їх фазова швидкість значно менша від швидкості об’ємної пилової акустичної хвилі. Частоти поверхневих хвиль, що поширюються вздовж магнітного поля, і у випадку, коли магнітне поле є нормальним до границі плазмового середовища, обмежені відношенням , яке є загальним для пилової космічної плазми. У першому випадку існує мінімум для хвильового вектора, і поверхневі хвилі є повільними, тобто їх фазова швидкість є значно меншою, ніж швидкість об’ємної пилової акустичної хвилі . Якщо магнітне поле є нормальним до границі плазми, фазова швидкість поверхневих хвиль біля мінімальної частоти може бути значно вищою від .

В циліндричній геометрії, яка є типовою для кометних об’єктів, поверхневі хвилі існують у частотному інтервалі і при умові . Враховано новий розмірний параметр . Залежність містить співвідношення .

Наведені малюнки 4 (a,b) демонструють дисперсійні залежності поверхневих хвиль для різних орієнтацій магнітного поля відносно напрямку поширення хвилі (k) у випадку декартової геометрії.

Експеримент та теорія підтверджують, що в пиловій плазмі зустрічається багато таких випадків, коли механізми збудження хвиль призводять до значного зростання амплітуди хвиль, що є важливими для появи нелінійних ефектів. Одним з найбільш цікавих нелінійних ефектів є можливість формування солітонів у пиловій плазмі. Підрозділ II.5. містить у собі розгляд відомих типів солітонів в пиловій плазмі: іонно-акустичного та пилового акустичного солітонів.

Малюнок 4. Залежність низькочастотної поверхневої хвилі для випадку (a) та (b).

Проведено докладний аналіз властивостей цих солітонів, що залежать від основних параметрів плазми. Характер солітона у випадку трикомпонентної плазми залежить від співвідношення густин компонент, що задається параметром . Випадок визначає солітон згущення з , , що є аналогією звичайного іонно-акустичного солітона в електрон-іонній плазмі. У разі має місце солітон розріджень, який відсутній в електрон-іонній плазмі.

Властивості пилоакустичного солітона визначаються знаком заряду пилової компоненти. У випадку, коли частинки мають негативний заряд, це солітон негативного потенціалу, і в полі солітона має місце зростання чисельної густини частинок і іонів, а також зменшення чисельної густини електронів. Випадок визначає солітон позитивного потенціалу, і в полі солітона зменшується чисельна густина частинок і іонів і зростає густина електронів.

Астрофізичне застосування одержаних у розділі теоретичних результатів доповнюється моделлю, яка описує стратифікацію плазмових хвостів комет.

По мірі наближення комети до Сонця і початку формування плазмового хвоста під дією сонячного випромінювання проявляється ефект взаємодії плазмового хвоста (як плазмового циліндра) як цілого з сонячним вітром, внаслідок чого він може набувати спіральної форми. Для комет, які знаходяться у межах дії сонячного вітру, останній являє собою аналог іонного пучка, оскільки його швидкість дрейфу звичайно значно перевищує теплову швидкість іонів і є в декілька разів меншою від теплової швидкості електронів. Стратифікація відбувається внаслідок виникнення нестійкості Кельвіна-Гельмгольца, що має місце цілковито завдяки присутності пилових частинок у складі кометного хвоста.

У третьому розділі детально викладено теорію основних механізмів трансформації акустичних хвиль у плазмові та проаналізовані явища, які супроводжують процес передачі енергії від літосфери у іоносферу.

Цей розділ є основним в опису акустичного каналу зв’язку літосфери з іоносферою через атмосферу. На початку розділу пояснюються особливості хвиль, що існують в іоносферній пиловій плазмі.

Звертається увага на пилові акустичні хвилі, які при наявності сейсмічних хвиль легко збуджуються та переносять енергію в іоносферу (трансформація хвиль, де основну роль відіграє альфвенівська хвиля, що виникає за рахунок збурення магнітного поля Землі).

Далі у розділі (III.4) описується детально процес трансформації акустичних низькочастотних хвиль в іоносферні. Особливу увагу звертається на аналіз трансформації акустичних хвиль в іонно-акустичні та альфвенівські. Явище трансформації має критерій , де - швидкість акустичної хвилі, - висота однорідної атмосфери, - частота зіткнень іонів з нейтралами. Як показують підрахунки, він виконується досить часто. Експеримент “MАССА” підтверджує, що безпосередньо після вибуху супутником дійсно були зареєстровані альфвенівські хвилі. Умовою синхронізму альфвенівської та акустичної хвиль є , звідки слідує два висновки. По-перше - оскільки швидкість звуку s є на 2-3 порядки меншою від альфвенівської швидкості в іоносфері, , і збудження альфвенівських хвиль має місце тільки на . Вектор Умова-Пойнтінга енергії звичайно є орієнтованим вздовж магнітного поля. Друге - те, що умова синхронізму виконується одночасно для широкого діапазону хвильових векторів та частот, т.ч. збудження альфвенівських хвиль буде широкосмуговим, що і спостерігалося під час експерименту.

Далі у розділі розглядаються питання, пов’язані з моделюванням самого акустичного каналу. Показано, що наднизькочастотна акустична хвиля, яка поширюється в іоносферу, створює періодичну структуру плазми, що призводить до збільшення прозорості іоносфери для космічної радіації у радіодіапазоні. Для цього по-перше, одержано критерій формування наднизькочастотної акустичної хвилі, що відбуваєтьзя завдяки наявності нелілнійних ефектів в атмосфері. По-друге, проаналізовано її взаємодію з іоносферою при її проходженні.

Показано, що амплітуда низькочастотної атмосферної хвилі зростає в атмосфері, як , де - просторовий коефіцієнт. Ця наднизькочастотна акустична хвиля поширюється в іоносфері і вимушує зміну густини нейтрального газу , яка у свою чергу призводить до модуляції електронної густини. Інше кажучи, в іоносфері створюється періодична структура плазми, яка призводить до збільшення прозорості іоносфери для космічної радіації. Умова (, ), де - довжина хвилі, - довжина акустичної хвилі резюмує, що довжина акустичної хвилі повинна дорівнювати цілому числу довжин хвиль, для яких коефіцієнт прозорості іоносфери стає досить високим.

Цей факт показує, що є можливим моделювання хвильових процесів в іоносфері за допомогою двох акустичних генераторів, які генерують звук на двох близьких частотах.

Основні результати та висновки.

В дисертації розглянуто хвильові процеси в пиловій плазмі, включаючи роль пилової компоненти.

Показано, що в холодній плазмі на частотах нижче циклотронної частоти гранул, можуть поширюватися тільки повільна альфвенівська та магнiтоакустичні хвилі, швидкість яких залежить від мас усіх трьох компонент: іонів, електронів та гранул (пилинок). В інтервалі частот від плазмової циклотронної до іонно-циклотронної для фіксованих частоти хвилі та напрямку її поширення відносно орієнтації магнітного поля існують дві хвилі, характеристичні швидкості яких визначаються тільки густинами електронів та іонів (швидкості альфвенівських хвиль для електрон-іонної плазми). У межах частоти відтинання, яка не залежить від напрямку поширення, хвилі можуть мати швидкості, вищі від або .

Розглянуто низькочастотні електростатичні поверхневі хвилі у обмеженій замагніченій плазмі, які обумовлені рухом заряджених пилових частинок. Визначено, що інтервали для частот поверхневих хвиль обмежені ленгмюрівською та циклотронною частотами заряджених пилових частинок. Для поверхневих хвиль, які поширюються вздовж магнітного поля, існує мінімум для хвильового вектора, і поверхневі хвилі є повільними (їх фазова швидкість значно менша, ніж швидкість об’ємної пилової акустичної хвилі ). Частоти поверхневих хвиль обмежені відношенням , яке є досить загальним для пилової плазми. Якщо магнітне поле є нормальним до границі плазми, фазова швидкість поверхневих хвиль біля мінімальної частоти може бути значно вищою від .

Поверхневі хвилі для випадку аксіальної геометричної моделі існують у частотному інтервалі , і також тільки при умові, що ленгмюрівська частота пилинок є меншою від циклотронної.

Визначено характер солітона у випадку трикомпонентної плазми. Він залежить від співвідношення густин компонент, що задається параметром . В залежності від цього параметру існує солітон згущення, який є аналогією звичайного іонно-акустичного солітона в електрон-іонній плазмі. і солітон розріджень, який відсутній в електрон-іонній плазмі.

Властивості пилоакустичного солітона визначаються також знаком заряду пилової компоненти. У випадку, коли частинки мають негативний заряд, існує солітон негативного потенціалу (в полі солітона має місце зростання чисельної густини частинок і іонів, а також зменшення чисельної густини електронів) і солітон позитивного потенціалу (навпаки).

Надано астрофізичну інтерпретацію теоретичних результатів. Пояснено деякі спостережені космічні структури присутністю пилової компоненти плазми: хвости комет, кільця Сатурна.

Пояснено ефект формування сильно зв’язаної пилової плазми з кулонівською потенціальною енергією, значно більшою від кінетичної енергії плазми.

Розроблена теорія трансформації акустичних хвиль літосфери у іонно-звукові, циклотронні та альфвенівські хвилі іоносфери. Наводяться критерії трансформації хвиль та пояснюється роль нейтральної компоненти плазми та процесів зіткнення.

Показано, що наднизькочастотна (одиниці-десятки герців) акустична хвиля, яка поширюється з атмосфери в іоносферу Землі, створює періодичну структуру плазми, що призводить до збільшення прозорості іоносфери для космічного випромінювання у радіодіапазоні. Проведені експерименти та теоретичні оцінки підтверджують можливість існування таких ефектів.

Основні положення дисертації опубліковано в таких роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

6.

8.

9.

10.

11.

13.

12.

13.

13.

Анотація

Коцаренко А.М. Хвильові процеси в пиловій плазмі космосу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.02 -теоретична фізика. - Київський університет імені Тараса Шевченка, Київ, 1998.

Дисертація присвячена вивченню хвильових процесів в пиловій плазмі. Проаналізований внесок пилової компоненти в колективні явища у плазмі на прикладі вже відомих хвиль та коливань. Знайдені спектри альфвенівських та магнітозвукових хвиль в широкій смузі частот, які раніше не досліджувалися. Чисельно та аналітично отримані та проаналізовані спектри низькочастотних поверхневих хвиль для різних типів геометрії, яка модельно реалізується у відповідних космічних об’єктах. Деякі проаналізовані ефекти застосовані для пояснення космічних просторових структур та іоносферних явищ.

Аннотация

Коцаренко А.Н. Волновые процессы в пылевой плазме космоса. - Рукопись.

Дисертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.02 -теоретическая физика. - Киевский университет имени Тараса Шевченко, Киев, 1998.

Дисертация посвящена изучению волновых процессов в пилевой плазме. Проанализован вклад пилевой компоненты в коллективные явления в плазме на примере уже известных волн и колебаний. Найдены спектры альфвеновских и магнитозвуковых волн в широкой полосе частот, ранее не исследованной. Численно и аналитически получен и проанализован спектр низкочастотных поверхностных волн для разних типов геометрии, модельно реализующейся в соответствующих космических объектах. Некоторые проанализированные еффекты применены для объяснения космических пространственных структур и ионосферных явлений.

Abstract

Anatoliy N. Kotsarenko. Wave processes in cosmic dusty plasma. - Manuscript.

Thesis for a Ph.D. degree by speciality 01.04.02 - theoretical physics - Kyiv Taras Shevchenko University, Kyiv, 1998.

Thesis is devoted to the study of wave processes in dusty plasma. The contribution of dusty component to the collective properties in plasma is analysed on an example of already known waves and oscillations. The alfven and magnetoacoustic waves’ spectra in broad frequency band, earlier not investigated are found. Spectrum of low-frequency surface waves for different geometrical models which realize in appropriate space objects is obtained and analysed numerically and analytically. Some analysed theoretical models are applied for explanation of cosmic spatial structures and ionospheric phenomena.

Підписано до друку 04.XII.98.

Формат 60х84 1/16. Папір офсетний.

Друк офсетний. Накл. 100 прим. Зам № 16.

Друкарня НБУВ. 252039, Київ-39, просп. 40-річчя Жовтня, 3.