ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 7, с. 587-621
ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА
УДК 533.9
НЕЛИНЕЙНАЯ ЭКРАНИРОВКА ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ И СТРУКТУРИЗАЦИЯ ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЫ
© 2013 г. В. Н. Цытович, Н. Г. Гусейн-заде
Институт общей физики РАН, Москва, Россия e-mail: tsytov@lpi.ru Поступила в редакцию 24.04.2012 г.
Окончательный вариант получен 17.10.2012 г.
Дана история развития теоретических представлений о физике неустойчивости однородной пылевой плазмы относительно ее структуризации, т.е. возникновения сгущений и разрежений плотности пылевых частиц и их концентрации в различные структуры, которые наблюдались в лабораторной плазме и в условиях микрогравитации. Обсуждаются теоретические модели компактных пылевых структур, которые могут появляться на нелинейной стадии структуризационной неустойчивости, и модели системы войдов как окружающих компактные структуры, так и образующихся в центре структур. Возможны два типичные размера структур: меньше или больше характерной длины свободного пробега ионов плазменных потоков. И первые, и вторые могут иметь достаточно регулярные распределения пылевых частиц, но первые, как правило, требуют внешнего удержания, а вторые — могут быть самоподдерживающимися (что представляет отдельный интерес). В данном обзоре они названы пылевыми кластерами и самоорганизованными пылевыми структурами соответственно. Для обоих типов структур существенны новые физические процессы, которые возникают только при наличии пылевой компоненты. Роль нелинейностей в экранировании пылевых частиц большого заряда, часто встречающихся в современных лабораторных экспериментах, оказывается весьма большой, но раньше она не исследовалась. Хотя структуризация возникает как при линейном, так и при нелинейном экранировании, она может сильно различаться в лабораторных и в астрофизических условиях. Исследования по нелинейному экранированию больших зарядов в плазме были начаты несколько десятилетий тому назад, однако до сих пор этот фактор почти не учитывается при интерпретации процессов, происходящих в лабораторной пылевой плазме. Одна из целей обзора — показать возможность описания нелинейного экранирования отдельных частиц, и с помощью базисных уравнений равновесия компонент плазмы, учесть его в описании равновесных структур. Рассматривается, как нелинейность экранирования пыли сказывается на "силах увлечения" пыли потоками плазмы и на процессах диффузии. Показано, как в этих процессах формируются самоорганизованные пылевые структуры. Силы, действующие на компоненты пылевой плазмы, и система базисных уравнений для стационарных пылевых структур с учетом нелинейного экранирования в случае очень малых зарядов пылевых частиц переходят в стандартные. При этом описываются новые качественные эффекты, такие как подавление диффузии из-за рассеяния ионов на пылевых частицах, появление структур разной конфигурации и т.п. Приведено подробное сравнение с ранее известными результатами и показано, что решение нелинейных базисных уравнений для пылевых структур приводит к новым качественным эффектам. Предсказан ряд новых эффектов для их исследования в будущих экспериментах в пылевой плазме с образованием структур в сферических камерах, где предполагается, что в условиях микрогравитации большую роль будут играть процессы диффузии. Обсуждаются недавние эксперименты в земных лабораториях и на борту Международной космической станции, непосредственно подтверждающие нелинейность экранирования и ее роль в структуризации пылевой плазмы, а также эксперименты по образованию структур частицами меньшего размера в области существования структур частиц большего размера, интерпретация которых возможна только при использовании представлений о нелинейном экранировании.
DOI: 10.7868/S0367292113070081
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблемы пылевой плазмы после недавнего бума исследований (1994—2006 гг.), связанного с многочисленными экспериментальными открытиями и возможными техническими приложениями [1—7], переместились в область более углуб-
ленного изучения пылевой плазмы как особого и необычного состояния вещества. Достаточно долго считалось, что системы, состоящие из слабо ионизированной плазмы с относительно небольшим числом пылевых частиц, не представляют особого интереса. Но уже первые работы по исследованию систем с пылевыми частицами от-
носительно большого размера дали неожиданные результаты: выяснилось, что в таких системах быстро возникают разнообразные структуры. Причем, это свойство структуризации пылевой плазмы, скорее всего, универсально, а сами структуры представляют собой стационарные неоднородные сгущения и разрежения пылевой компоненты, в которых ярко выражены нелинейные процессы самоорганизации. Стало ясно, что если для обычной плазмы и других сред нелинейные процессы изучены достаточно подробно, то для пылевой плазмы они практически не исследованы, при этом многие нелинейные процессы в пылевой плазме принципиально отличны от нелинейных процессов как в обычной плазме, так и в других средах. В пылевой плазме нелинейные процессы играют важную роль, однако их природа исследована слабо, и даже простейшие нелинейные процессы представляют собой малоизученную проблему. Цель настоящей работы — дать краткий обзор новых явлений с описанием их физической природы и простых способов теоретического анализа.
Будем рассматривать пылевую компоненту, состоящую из почти точечных частиц с очень
большим зарядом (на практике их заряд в 104 и более раз может превосходить заряд электрона). В этом случае заряды вследствие их разнообразных взаимодействий должны экранироваться на сравнительно небольших расстояниях поляризационными зарядами электронов и ионов. Представления о "почти точечных" пылевых частицах справедливы, если их размер много меньше радиуса экранирования. Но уже начиная с 10—20 и более зарядов электрона поляризационную "шубу" вокруг пылинки нельзя описать как стандартное линейное экранирование (когда поляризационный заряд пропорционален потенциалу пылинки), так как энергия взаимодействия частиц плазмы с пылинкой в поляризационном облаке становится больше их средней кинетической энергии. В этом случае имеет место нелинейное экранирование.
Крупномасштабные нелинейности (на масштабах много больше среднего расстояния между пылевыми частицами и экранирующими поляризационными зарядами) сильно переплетаются с неоднородностями, вызываемыми пылевыми частицами, которые интенсивно взаимодействуют как с электростатическими полями, так и с потоками плазмы. Такие нелинейности могут сильно повлиять и на взаимодействия пылевых частиц между собой, и на взаимодействия пылинок с внешними полями или возможными "препятствиями", поскольку пылинки — это достаточно сложные конгломераты самих частиц и их поляризационных шуб, и для этих конгломератов нелинейные процессы являются определяющими.
Даже взаимодействие таких конгломератов (тоже обычно нелинейное) требует особого рассмотрения. Например, если поток пылевой плазмы огибает некое препятствие, то за ним должны возникать (и они действительно наблюдаются) дорожки вихрей. Вязкость, определяющая порог появления таких дорожек, определяется взаимодействием с препятствием пылевых частиц с шубами, деформируемыми в процессе взаимодействия. И только при феноменологическом подходе такое взаимодействие может быть похожим по описанию на обычную гидродинамическую вязкость. Построение кинетики и гидродинамики, включающих деформации нелинейных поляризационных шуб пылевых частиц при их взаимодействии, представляет собой сложную не только физическую, но и математическую задачу. Вносит дополнительные сложности и изменение заряда пылевых частиц в результате их взаимодействия. Ведь сами заряды, определяемые балансом потоков плазмы (ионов и электронов) на поверхность пылинок, изменяются с изменением этих потоков. Вместе с тем решение таких задач становится актуальным, поскольку появляются новые экспериментальные результаты, из которых можно определить феноменологические параметры взаимодействия пылевых частиц. В частности, эмпирические данные о вязкости вследствие трения в пылевой компоненте плазмы, о вихрях, возникающих при обтекании пылевой плазмы препятствий и т.п.
Ясно, что эти процессы достаточно сложны, поскольку при взаимодействии пылевых частиц с деформируемыми в процессе взаимодействий нелинейными поляризационными шубами возможны качественные эффекты, имеющие мало общего с обычным межмолекулярным взаимодействием или взаимодействием "голых" зарядов. К сожалению, теоретические исследования в этом направлении ограничены узким спектром нелинейных задач. Сейчас появляется возможность сформулировать основные проблемы и подходы к их решению. Актуальность этих задач, прежде всего для различных технических приложений и новых технологий, требует привлечения усилий теоретиков и экспериментаторов.
Особый интерес представляют достаточно большие пылевые частицы. Это связано с тем, что их заряд пропорционален радиусу и их взаимодействие, пропорциональное (в определенных пределах) квадрату заряда пылевых частиц, становится чрезвычайно сильным и может определять взаимодействие других компонент плазмы. До последнего времени существовало не совсем верное мнение, что для описания таких частиц можно использовать методы, с помощью которых описывают поведение больших и постоянных зарядов в плазме.
К существенным вариациям заряда примешивается общая тенденция к структуризации пылевой плазмы, что делает систему сильно неоднородной, в некоторых случаях она полностью состоит из отдельных пылевых структур. В экспериментах образование разнообразных структур часто происходит за относительно небольшие времена — это означает, что наблюдаемая структуризированная система находится на нелинейной стадии развития. Структуризация не может происходить без генерации коллективных электрических полей, т.е. полей, у которых размеры неоднородностей много больше среднего расстояния между пылевыми частицами. Таким образом, в отличие от стандартных нелинейностей, изученных для обычной плазмы, в плазме с пылевыми частицами больших зарядов имеются еще два новых типа нелинейности: первый связан с по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.