научная статья по теме РОЛЬ КОНЕЧНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ИОНОВ В ГЕНЕРАЦИИ НЕУСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНОГО СВЕЛЛИНГА Геофизика

Текст научной статьи на тему «РОЛЬ КОНЕЧНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ИОНОВ В ГЕНЕРАЦИИ НЕУСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНОГО СВЕЛЛИНГА»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 1, с. 23-26

УДК 537.8;537.5

РОЛЬ КОНЕЧНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ИОНОВ В ГЕНЕРАЦИИ НЕУСТОЙЧИВОСТИ МАГНИТНОГО СВЕЛЛИНГА

© 2014 г. О. А. Похотелов1, О. Г. Онищенко1 2

1Институт физики Земли РАН, г. Москва 2Институт космических исследований РАН, г. Москва e-mail:pokh@ifz.ru, onish@ifz.ru Поступила в редакцию 14.05.2013 г.

После доработки 25.08.2013 г.

Неустойчивость магнитного свеллинга (распухания) является одной из наиболее важных неустой-чивостей в плазме в которой электроны горячее, чем ионы. В отличие от диамагнитной (зеркальной) неустойчивости, принадлежащей ветви медленных магнитозвуковых волн, неустойчивость магнитного свеллинга соответствует ветви быстрых магнитозвуковых волн. В идеализированном пределе нулевой температуры ионов теория этой неустойчивости была развита в работах [Basu and Coppi, 1982, 1984] в начале 80-х годов в рамках магнитогидродинамической модели. Для большей реалистичности модели необходимо включить в теорию эффекты конечной температуры ионов. Кроме того мы проведем рассмотрение теории магнитного свеллинга в рамках более наглядного квазигидродинамического подхода, хорошо зарекомендовавшего себя при рассмотрении зеркальной неустойчивости. При этом оказывается необходимым воспользоваться только условием поперечного баланса давления плазмы и теоремой Лиувиля для вычисления вариации поперечного давления. Такое рассмотрение является более простым и наглядным и позволяет глубже понять физическую природу неустойчивости и подготовить необходимую базу для интерпретации наблюдательных данных.

DOI: 10.7868/S0016794014010131

1. ВВЕДЕНИЕ

В 80-х годах предыдущего столетия было показано, что медленная и быстрая магнитозвуковая моды в плазме с горячими электронами и холодными ионами могут возбуждаться в результате генерации нового класса неустойчивостей электронной диамагнитной неустойчивостью и неустойчивостью магнитного свеллинга [Basu and Coppi, 1982, 1984]. В отличие от обычной ионной диамагнитной неустойчивости [Pokhotelov et al., 2002] эти неустойчивости не связаны с резонансными процессами, связанными с эволюцией небольшой группы частиц и потому могут быть описаны гидродинамическими уравнениями. Эффекты плазменной неоднородности анализировались в работе [Marchenko et al., 1988]. Отметим, что анализ проведенный во всех этих работах довольно громоздкий, включает довольно длительные вычисления и потому может затемнять физическую суть процесса.

Основной целью данной работы является развитие сравнительно простого подхода позволяющего лучше понять физику неустойчивости магнитного свеллинга. С этой целью мы применим квази-гидродинамический подход, который успешно применялся для изучения зеркальной неустойчивости в работе [Pokhotelov et al., 2000, 2002]. В отличие от работ [Basu and Coppi, 1982, 1984] мы

введем в рассмотрение учет эффектов конечной температуры ионов. Это позволит сделать теорию более полезной для интерпретации наблюдений.

2. ИСХОДНЫЕ УРАВНЕНИЯ

По аналогии с зеркальной неустойчивостью начнем с линеаризованного уравнения перпендикулярного баланса давлений [РокЬо1е1оу й а1., 2002]

Sp

B SB

Ц0

ю

2

- k f1+ь-ft

2 2 ,2 1

/22 /2 k±cA

B SB

(1)

Ц0

где В — внешнее магнитное поле, 8р± — возмущение перпендикулярного давления, 8 В — возмущение магнитного поля, все возмущения считаются зависящими от времени и координат по закону ~ехр(-/ю? + /к • г), ю — частота колебаний, р±,ц =

= 2цВ2 — отношение перппендикулярного (параллельного) давления плазмы к давлению магнитного поля В2/2ц0, ц0 — магнитная проницаемость вакуума, к± и кц — компоненты волнового вектора поперек и вдоль магнитного поля, сА =

= B/ (|i0

i0p)^2 — скорость Альфвена и р — массовая плотность плазмы.

24

ПОХОТЕЛОВ, ОНИЩЕНКО

Для вычисления изменения функции распределения при изменении энергии частиц и магнитного поля воспользуемся теоремой Лиувилля [Northrop and Schardt, 1980; Southwood and Kivel-son,1993]

SF, = -

в дЛ-8W^i

Щ

dW '

(2)

5W = -q, Ч + -

ю

ю - k||

Подставляя (4) в (2) получаем

(Ч + Ц8В||) . (4)

щ = -

ц5Я | dF, , , dF: ю(q,¥ + ц5Я Л dF.

-и-J_ + q, ¥-i---W-4L-J

—. (5) dW

В 5ц дЖ ю - к\ ^

Для би-Максвелловской функции распределения с параллельной температурой Ту и поперечной температурой Тц имеем

(

dF,- = jiSB |

1 -■

T,

T-

F

T

(6)

T

ю - k |V | |

Tj

3. УСЛОВИЕ КВАЗИНЕИТРАЛЬНОСТИ

Считаем плазму квазинейтральной, т.е.

5ne _ Sn, n n

(7)

где возмущения электронной Ъие и ионной Ъщ плотности вычисляем интегрируя функцию распределения (5) по всему пространству скоростей

Sn =Щ-L^ f в^ Щ

n B 2Te lrle B

Z '(Z e),

(8)

8n _ + Ll fe^ + Mi | Z .(g,).

n в L Li в 1

Здесь Z — плазменная дисперсионная функция [Fried and Conte, 1961]

B d|

где ц и W магнитный момент и энергия частицы сорта j, Fj — невозмущенная функция распределения и dFj — ее возмущение, 8Вц — продольное (по отношению к B) возмущение магнитного поля.

Изменение энергии частиц, вызванное наличием продольного электрического поля E|| = -d^/dz и возмущением магнитного поля 8Вц согласно адиабатическому уравнению

dtW = -qjvll8 z Ч + цд t дЩ. (3)

Здесь заряд qj принимает значение e для ионов и -e для электронов, dt = дt + v^dz — адвективная (Эйлеровская) производная по времени, dt = d/dt, д t = д/д t и д z = д/д z. Для возмущений зависящих от времени и координат как ~exp(-/®t + /k • г) из уравнения (3) получаем

Z (Z) = П « 2 "f d eXP 2 ).

J t-Z

(10)

Апостроф в (9) означает производную по аргументу, ^ е(,) = ю/к||уТио и у'тш — тепловая скорость электронов (ионов).

Подставляя (8) и (9) в (7) получаем условие квазинейтральности в виде

Те Г^ 1 * '(с е)+Ъ f 1 * % >=о. (ш

Te U ,

в

T, IT,

в

[1е -"У -»||г М И

Неустойчивость магнитного свеллинга существует в диапазоне ^е ^ 1 и ^I ^ 1 [Ва8и, Сорр1,

1982, 1984]. При этом справедливы следующие

» » —2

разложения Z (^ е) ~ -2и1 (^ 1) « СI .

Используя эти разложения из (11) получаем

еУ = (Т^е/Т\\е + к|22Ш) Щ (12)

Т||е 1 - к2с2/ш2 В

где с, = Т\\е/т1 )^2 — скорость ионного звука. В случае неустойчивости магнитного свеллинга ю > к^с,, и соотношение (12) редуцируется к виду

he

Т~ Tue

1+k2 с,2 (i+T^p

ю

5B|| L Щ

в

Te в

или

e*¥ 8вп

L

le

в

(13)

(14)

4. ПОПЕРЕЧНЫЙ БАЛАНС ДАВЛЕНИЯ

Используя выражение для возмущения функции распределения (6) вычислим возмущение давления плазмы

Sp± = 2 pLi

Г T \

1 - ^

L

V L||, У

щ в

2 p1

1 — T1e

T

в

p||

Z PijL^

|e У

1 + Z '(Z j )/:

T \

LU le L- T /

e У

e^

Tîie '

(15)

бв^ в

, Y

T,

и

или

РОЛЬ конечной температуры ионов в генерации неустойчивости

25

к о дВ\\+п bpL = 2pLi—f + 2 ple

B

( T ^

1 _ 1 le

T

V IIe J

SBi | ev

-" + Pie-+

B Te

+ Tu7ur /SB|+ ev)

+ PiTZ(Z i} VB + 2Ti J •

Подставляя (14) в (16) получаем

( m m л

SPl = 2p±e

(16)

1 — Tle + TH

2T TI I e 11 I i

SB

B

(17)

5. ДИСПЕРСИОННОЕ УРАВНЕНИЕ Перегруппируя уравнение (1) и пренебрегая малыми членами порядка k^jk2L < 1 с помощью соотношения (17) находим дисперсионное соотношение для неустойчивости магнитного свел-линга в виде

2 p±

_ Tle + Tli

2TIe T,

SBH BSBH + -

ю

le

B и 0

k,vA и о

или

2 ,22 ю = k,v A

1 + ß,

— T,e + T,i

\ 2TII e TLe У

(18)

(19)

Уравнение (19) описывает дисперсионное соотношение неустойчивости магнитного свеллин-га с конечной температурой ионов. Неустойчивость имеет место, если

T,

> 2-^

Te

Tt! + T,

,e , _2_

T,

(20)

температуры ионов. Учет этого обстоятельства приводит к повышению порога неустойчивости, то есть наиболее благоприятные условия генерации неустойчивости реализуются при малой температуре ионов. В данной работе оставлены за кадром эффекты неоднородности плотности и температуры плазмы, что естественно вводит в

игру такие новые параметры как k| -1d ln n/dx и

k| -1dln T/dx, где n и T характерные плотность и температура плазмы, соответственно. Первые шаги в изучении этих эффектов сделаны были в работе [Marchenko et al., 1988], где исследовалась так называемая дрейфовая неустойчивость магнитного свеллинга в рамках точного кинетического рассмотрения.

Магнитозвуковые волны, возбуждаемые неустойчивостью магнитного свеллинга по-видимому наблюдались в работах [Tsurutani et al., 1982, 1984] в магнитослое, где, однако, эта неустойчивость может конкурировать с так называемой гало неустойчивостью [Pokhotelov et al., 2005]. В принципе, эти две неустойчивости взаимно дополняют друг друга. Первая приводит к генерации волн в длинноволновом диапазоне при длинах волн значительно превышающих ларморовский радиус ионов, а вторая в коротковолновом диапазоне при длинах волн меньших ларморовского радиуса ионов. В обоих случаях плазма считалась бесстолк-новительной. Роль частоты столкновений в магнитослое обсуждалась в работе Popel et al. [1995].

Работа выполнена при поддержке Программ Президиума РАН № 4 и № 22, и Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 11-05-00920).

Оно отличается от условия выведенного в работах [Basu and Coppi, 1982, 1984] дополнительным членом учитывающим температуру ионов. Видно, что учет конечной температуры ионов играет стабилизирующую роль повышая порог неустойчивости.

6. ВЫВОДЫ

В данной работе исследовалась неустойчивость анизотропной плазмы большого давления с конечной температурой ионов. Показано, что использование квази-гидродинамического подхода позволяет вывести общее дисперсионное уравнение для неустойчивости магнитного свеллинга из первых принципов таких как теорема Лиувилля и баланс поперечного давления. Полученное нами дисперсионное уравнение (19) похоже на аналогичное дисперсионное уравнение работ [Basu and Coppi, 1982, 1984], но отличается дополнительным членом, учитывающим эффект конечной

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

— Basu B., Coppi B. Field-Swelling Instability in Anisotro-

pic Plasmas // Phys. Rev. Lett. V. 48. № 12. P. 799-801. 1982.

— Basu B., Coppi B. Theory of Field-Swelling instability in

Anisotropic Plasmas // Phys. Fluids. V. 27. № 5. P. 1187—1193. 1984.

— Fried B., Conte S.D. The Plasma Dispersion Function //

Academic, San Diego, Calif. 1961.

— Marchenko V.A., Nezlina Yu.M., Pokhotelov O.A. Drift

fiel

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.

Показать целиком