Бесстолкновительные ударные волны. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Бесстолкновительные ударные волны - резкие изменения параметров плазмы (плотности, температуры, магн. поля и др.), возникающие при сверхзвуковом движении плазмы и имеющие толщину фронта, существенно меньшую длины свободного пробега, так что парных столкновений в них не происходит. В лаб. плазме Б. у. в. возникают при сжатии и нагреве плазмы быстронарастающим магн. полем. В космич. условиях образование бесстолкновительных ударных волн происходит, напр., при взаимодействии солнечного ветра с магнитосферами планет, при взаимодействии звёздного ветра с магнитосферами пульсаров. Наиб. изученный в космич. плазме объект - ударная волна земной магнитосферы, толщина фронта к-рой на неск. порядков величины меньше длины свободного пробега.

В плазме, по к-рой уже прошла ударная волна, всегда имеются частицы, движущиеся быстрее фронта, к-рые, забегая вперёд в невозмущённую волной плазму, могли бы создать расплывание фронта до толщины, сравнимой с длиной свободного пробега. Однако этого не происходит по двум причинам. При наличии магн. поля, параллельного фронту волны или направленного под углом к нему, поле заворачивает частицы, движущиеся поперёк фронта на расстоянии порядка ларморовского радиуса, к-рый, т. о., играет роль длины свободного пробега. Если магн. поле перпендикулярно фронту волны или вообще отсутствует, то механизм, препятствующий расплыванию, имеет коллективную природу, т. е. осуществляется с помощью возбуждаемых неустойчивостей и волн. Если в невозмущённую волной область плазмы проникла через фронт группа (пучок) быстрых частиц, то перед фронтом волны развиваются пучковая неустойчивость и интенсивные колебания плазмы, к-рые эффективно тормозят быструю компоненту. В этом случае также как бы происходит переопределение длины свободного пробега с учётом коллективных процессов.

Образование ударной волны в плазме можно рассмотреть на примере движения магн. поршня (роль такого поршня для плазмы солнечного ветра выполняет планетная магнитосфера). Плазма перед поршнем сжимается, при этом возрастает напряжённость вмороженного в неё магн. поля H₀. В холодной плазме, давление к-рой р существенно меньше магнитного давления (

), возмущения плотности и магн. поля (магнитозвуковые волны)перемещаются с альвеновской скоростью (см. Алъвеновские волны)

, где

-плотность плазмы. Если скорость поршня

, то возникшие перед поршнем возмущения постепенно передаются в глубь плазмы в виде магнитозвуковых волн.

Однако при

магнитозвуковые волны не успевают оторваться от поршня и продвинуть дальше область сжатия. Поэтому поршень как бы "сгребает" плазму, и перед ним происходит образование области сжатия плазмы и магн. поля до тех пор, пока увеличение локальной u_А, связанное с увеличением магн. поля, не сделает возможным "отрыв" возмущений от поршня.

Кинетич. энергия поршня трансформируется при прохождении ударной волны во внутр. энергию плазмы, осн. доля к-рой приходится на интенсивные колебания плотности магн. поля и др. параметров. Происхождение таких колебаний не всегда связано с неустойчивостью, это могут быть, напр., нелинейные колебания в виде т. н. уединённых волн (солитонов ),образующихся благодаря дисперсионным свойствам плазмы, вследствие к-рых возможно ограничение нелинейного роста крутизны волнового профиля (укручения), приводящего к разрыву. Эффект нелинейного укручения, известный из обычной газодинамики, состоит в том, что участки волнового профиля с большей амплитудой возмущения, к-рым соответствуют большие скорости движения, стремятся опередить участки с меньшей скоростью и, в конце концов, образуется разрыв (рис. 1).

На языке фурье-анализа нелинейное укручение означает рождение высших гармоник с большими значениями волнового числа k. B обычной газодинамике отсутствует дисперсия фазовой скорости, т. е. скорости разл. гармоник совпадают. В этом случае нелинейное укручение может быть остановлено только за счёт появления диссипации (напр., вязкости), растущей с увеличением волнового числа. При наличии дисперсии фазовой скорости образующиеся за счёт нелинейности высшие гармоники "отрываются" от осн. волны - обгоняют её или отстают в зависимости от того, растёт или убывает фазовая скорость с ростом волнового числа. В результате

ещё до опрокидывания и образования разрыва волна может "распасться" на отдельные нелинейные волновые пакеты в форме солитонов (рис. 2). Характерный размер солитона совпадает с дисперсионным пространственным размером l_дисп, т. е. с длиной волны, на к-рой становится существенной дисперсия фазовой скорости. Напр., для ионно-звуковых солитонов в плазме без магн. поля l_диспесть дебаевский радиус экранирования.

Суперпозиция солитонов образует фронт бесстолкновительных ударных волн с осцилляторной структурой. Отд. солитон возникает в пренебрежении диссипацией при наличии только двух факторов - нелинейности и дисперсии. Солитон описывает обратимые движения плазмы - состояние плазмы до и после прохождения волны одно и то же. Необратимый скачок параметров, характерный для ударной волны, возникает при учёте диссипации.

В E. у. в.- это "коллективная" диссипация энергии плазменных колебаний, существующих за фронтом Б. у. в. В ламинарной бесстолкновительной ударной волне диссипация обычно обусловлена резонансным поглощением энергии волн частицами (см. затухание). В турбулентной Б. у. в. существенны неустойчивости, развивающиеся на фронте волны, напр. ионно-звуковая неустойчивость, параметрич. неустойчивость регулярных колебаний магн. поля и др. (см. Неустойчивости плазмы). В любом случае в результате развития неустойчивости плазма переходит в турбулентное состояние, при к-ром энергия регулярных колебаний за фронтом ударной волны трансформируется в турбулентные пульсации и в тепловую энергию плазмы (см. Турбулентность плазмы).

Длина, на к-рой происходит "коллективная" диссипация регулярных колебаний i_диссип, определяет размер переходной области в бесстолкновительной ударной волне, а размер отд. осцилляции определяется дисперсионной длиной l_дисп (рис. 2, а). Структура, показанная на этом рисунке, соответствует средам с отрицат. дисперсией, когда скорость движения солитона тем больше, чем больше его амплитуда (гравитац. волны на воде, а в плазме - ионно-звуковые волны и распространяющиеся строго поперёк магн. поля магнитозвуковые волны). В этом случае самый большой солитон бежит впереди, а осциллирующий "хвост", образованный солитонами меньшей амплитуды, остаётся позади фронта. Обратный случай (рис. 2, б)соответствует средам с положит. дисперсией, когда скорость движения солитона уменьшается с ростом его амплитуды (напр., "косые" магнитозвуковые волны; см. Волны в плазме ).В этом случае осциллирующий "хвост" находится в передней части фронта ударной волны.

Описанные выше теоретич. модели бесстолкновительных ударных волн получили количественное подтверждение в лаб. экспериментах и при измерениях в плазме солнечного ветра. На рис. 3 показана структура косой межпланетной ударной волны по данным измерений на борту спутника ICEE в 1977. В соответствии с описанными выше теоретич. моделями осцилляторная структура в этом случае располагается перед фронтом ударной волны.

Литература по бесстолкновительным ударным волнам

Знаете ли Вы, что в 1974 - 1980 годах профессор Стефан Маринов из г. Грац, Австрия, проделал серию экспериментов, в которых показал, что Земля движется по отношению к некоторой космической системе отсчета со скоростью 360±30 км/с, которая явно имеет какой-то абсолютный статус. Естественно, ему не давали нигде выступать и он вынужден был начать выпуск своего научного журнала "Deutsche Physik", где объяснял открытое им явление. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.