научная статья по теме ТРАНСФОРМАЦИЯ БМЗ-ВОЛН В АЛЬФВЕНОВСКИЕ В ГИРОТРОПНОЙ ПРОДОЛЬНО-НЕОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЕ Физика

Текст научной статьи на тему «ТРАНСФОРМАЦИЯ БМЗ-ВОЛН В АЛЬФВЕНОВСКИЕ В ГИРОТРОПНОЙ ПРОДОЛЬНО-НЕОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЕ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2007, том 33, № 6, с. 526-533

КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ В ПЛАЗМЕ

УДК 533.9

ТРАНСФОРМАЦИЯ БМЗ-ВОЛН В АЛЬФВЕНОВСКИЕ В ГИРОТРОПНОЙ ПРОДОЛЬНО-НЕОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЕ

© 2007 г. Н. Г. Мазур, Е. Н. Федоров, В. А. Пилипенко*

Институт Физики Земли РАН, Москва, Россия *Институт космических исследований РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 08.07.2006 г. Окончательный вариант получен 22.09.2006 г.

Рассмотрена модель трансформации бегущих БМЗ-волн в альфвеновские в продольно-неоднородной гиротропной плазме в магнитном поле с незамкнутыми силовыми линиями. Получена и исследована система уравнений для амплитуд взаимодействующих мод в приближении ВКБ. В области синхронизации, где волновые векторы двух мод сближаются, происходит существенная перекачка энергии БМЗ-колебаний в альфвеновские волны. При этом волны согласуются по фазе таким образом, что их разность оказывается наиболее благоприятной для трансформации. Трансформация имеет резонансный характер, что может объяснить появление квази-монохроматических сигналов в магнитосферах Земли и планет-гигантов.

PACS: 94.30.cq

1. ВВЕДЕНИЕ

Механизм резонансной трансформации быстрых магнитозвуковых (БМЗ) колебаний в альфвеновские волны используется в термоядерных установках для нагрева плазмы [1, 2]. Этот же механизм применяется для интерпретации появления узкополосных ультра-низкочастотных (УНЧ) сигналов в магнитосфере Земли [3-5]. В стандартной модели альфвеновского резонанса генерация альфвеновских колебаний происходит в замкнутой плазменной ловушке в результате резонансной конверсии БМЗ-возмущений в поперечно-неоднородной плазме на силовой оболочке, где частота собственных альфвеновских колебаний юА совпадает с частотой БМЗ-возмущений, т.е. ю = юА. В такой системе область альфвеновского резонанса и область прозрачности для БМЗ-возмущений пространственно разнесены, поэтому конверсия мод имеет характер подба-рьерного просачивания. Возбуждаемые альфвеновские колебания имеют вид стоячих волн вдоль замкнутых силовых линий, ограниченных отражающими торцами (проводящими ионосферами). Однако, как отмечено в [6], трансформация распространяющихся БМЗ-волн в альфвеновские может происходить и в плазме без торцов, т.е. при ю > юА, благодаря эффекту гиротропии (~5 = ю/ю,, ю, = Б02в/т ,с - ионная гирочастота) и продольной неоднородности. Эффективное взаимодействие этих мод происходит в области синхронизации, где волновые векторы обеих мод сближаются. Однако эффективность такой трансформации в [6] не оценивалась, за исключением случая слабой синхронизации мод, когда коэффициент

трансформации оказывается экспоненциально малым.

В данной работе мы проведем полное рассмотрение взаимодействия бегущих БМЗ и альфвеновских волн в продольно-неоднородной гиротропной плазме и рассчитаем эффективность трансформации мод для модельного профиля плазмы.

2. МОДЕЛЬ

Рассмотрим следующую модель, схематично показанную на рис. 1. Холодная плазма находится в прямом однородном магнитном поле В0. Неоднородность альфвеновской скорости УА(£) = = Б0(4пр)-1/2 вдоль В0 создается неоднородным распределением плотности плазмы р(^) вдоль В0. На эту плазменную систему падают БМЗ-волны с частотой ю и поперечной компонентой волнового вектора кх = к±. При распространении БМЗ-волны в неоднородной плазме из-за рефракции ее волновой вектор поворачивается, что проявляется в изменении его продольной компоненты к(т). Предполагается, что частота волны мала по сравнению с ионной гирочастотой ю,, т.е. 5 = ю/ю, < 1. В этом случае можно использовать приближенные выражения для диэлектрической проницаемости £ и гиротропии g плазмы

1 , 2,2 2,-1 £ = 1 + юрг(юг - ю )

g = ююр1 ю,

1 2 2 -1 (ю, - ю )

2 -2 ■с Vл ,

5с2 УА2.

Эффекты слабой гиротропии плазмы становятся существенными при синхронизации мод и будут учтены, т.к. они определяют взаимодействие между БМЗ и альфвеновской модами.

3. УРАВНЕНИЯ ДЛЯ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ АЛЬФВЕНОВСКОЙ И БМЗ-ВОЛН

Система уравнений для амплитуд альфвеновской (/А) и БМЗ (/) волн, распространяющихся вдоль внешнего магнитного поля, в приближении ВКБ может быть представлена в виде [6]

dfAIdz = ikAfA - Cfs, dfsldz = iksfs + CfA.

(1)

(2)

,2 Ю « I 2,

кА = -7-Т(1 ^ + У ),

уА 2

2 ,2 _

= (1+^~2), уА 2

где у - нормированная гиротропия

Т 8 {кхе1 ® куА

Коэффициент зацепления между модами в уравнениях (1)

C=

k a + k s d yldz

4 JkAAks 1 + y 2

(3)

определяется продольной неоднородностью нормированной гиротропии ^dy/dz ^ dp/dz. Из системы (1) вытекает обобщенное уравнение Риккати для отношения амплитуд R = fA/fS

dRIdz = i( kA - kS) R - C(1+ R ).

(4)

Уравнения (1) и (4) получены в [6]. Мы используем их здесь в форме, отличающейся лишь обозначениями и направлением распространения волн. Для облегчения сравнения с [6] приведем соотношения, устанавливающие соответствие обозначений (в правых частях - переменные из статьи [6]),

/в = /1, /а = /2, кв = ® С-1,

kA = N || 2 ю c-, kx = N±юс_1,

y = q

iR = p C =

c 4JNN2 q2+1

grad p(z), y(z)

область синхронизации

Во

л

kx ~ kA

квазипродольное распространение

kX << kA

В рассматриваемом случае низких частот ю <§ ® продольные волновые числа альфвеновской (А) и БМЗ (В) волн определяются выражениями

Рис. 1. Схематическая иллюстрация рассмотренной модели с продольной неоднородностью плотности плазмы р(г) и гиротропии 8(7). Стрелками обозначены волновые векторы БМЗ (В) и альфвеновской (А) волн.

При исследовании довольно громоздких выражений (2) и (3) удобно ввести безразмерную переменную к(г) = ®(кхУА)-1, зависящую от г через УА(г). Выражения для волновых чисел кА и кв через к имеют вид

2

kA 2 1 I „2 4.

— = к - 2(1 - л/1 +45 к ),

x 2

^ = к2-2 (1 ^ л/ТТ^52К4).

x

(5)

Заметим, что, в то время как альфвеновская волна распространяется всюду, БМЗ-волна имеет

точки поворота: кВ < 0, если к(г)2 < (1 - 52)-1.

Нормированная разность волновых чисел представляется в виде

D(к; 5) = k-A-k :

н

24

45 к

1

2к2 - 1 + 2к- 52 -

:. (6)

к

На рис. 2 показано семейство графиков функции Б(к; 5) для нескольких значений 5. Эта зависимость немонотонна - волновые числа сильно разнятся (Б ~ 1) при малых и больших к и сближаются (Б < 1) при промежуточных к.

Из формул (5) видно, что при к > 1 (и 5 <§ 1) кА/кх ~ кв /кх ~ к > 1. Таким образом, величина к характеризует отклонение волновых векторов от направления внешнего магнитного поля В0: пре-

S

X

z

2

x

D 100

10-

10-

103 к

Приближенные формулы (7) и (8) позволяют оценить величину коэффициентов уравнения (10) в области квазипродольного распространения

а- 1 a,Jg "ч y 02 G,

C - yоG'(s)(1+ y2G2)л

(12)

где A = kxL к о1 = к] LVt

0 ш

-i

0 - у А

Точные выражения (11) для коэффициентов уравнения (10) зависят, кроме А и у0, еще и от малого параметра ц = УА0(Ью1)~1, смысл которого разъяснен ниже. Приведем их в явном виде

А

1 A,JG-l+ Y2 G х

Рис. 2. Семейство графиков функции П(к; 5) для нескольких значений 5, обозначенных около кривых.

дельный случай к > 1 отвечает квазипродольному распространению. В этом случае выражение (6) значительно упрощается:

D (к; 8)«( 2 к)-У4 82к4

+ 1.

(7)

C

1 ¿Y/dz

21 + y 2'

(Y = 2 8к2).

(8)

Пусть распределение плотности плазмы рф характеризуется величиной р0 и линейным масштабом Ь

Р( z) = Ро G (z/L),

(9)

Va = VA о G

-1/2

к = к0 G

1/2

Y = Y оG,

где Va0 = B0(4np0)-1/2, к0 = ^VW"1 и Y0 = 28ко. В масштабе s = z/L уравнение (4) принимает вид

<dR = iАR - C( 1 + R2),

ds

(10)

где

А(s) = (кА - ks)L = kxLD^(s)), C(s) = CL. (11)

1 + 1 22

2 -2 -1 1 1- 8 - ко G -4 к

1 -2 -1 о G

1/2

(13)

C =

Ил + hs

l-YоG'(s)(1+ YоG )

2 -1

4 hAhs

где (знак минус относится к hA, знак плюс - к hs)

hA? hS =

Эта функция имеет минимум minD = 81/2 при к = ктЬ = (28)-1/2, когда происходит максимально возможное сближение волновых чисел кА и ks. В этом случае следует ожидать наиболее эффективного взаимодействия мод. Выражение для коэффициента связи (3) также становится проще при к > 1, когда кА - ks,

'1-! к о-2 G 1 (1 + J1+ Y о2 G2)

1/2

В (13) входят включающие малый параметр ц величины

-2 .. ч 1/2 1/2 ко = (2 А / Y о) Ц ,

где функция О и ее производная G - величины порядка единицы. Изменение величин УА(и), к(?) и У(е) определяется той же функцией О^/Ь)

52 = (А Уо/2 )ц. (14)

Смысл малого параметра ц состоит в следующем. Условием применимости приближения ВКБ

является неравенство юЬУА0 > 1. Это условие необходимо совместить с противоположным ограничением частоты ю < ю,. Диапазон частот

УА 0 Ь 1 < ю < ю,,

в котором одновременно выполняются оба эти условия, существует только в том случае, если

Уа 0 (Ь ю 1) 1 = ц < 1.

Таким образом, малость параметра ц лежит в основе самой возможности постановки исследуемой задачи.

Для аналитических оценок достаточно рассматривать уравнение (10) с простыми выражениями (13) для его коэффициентов, которые пригодны в области квазипродольного распространения, где преимущественно и происходит трансформация БМЗ в альфвеновскую волну. Для численных же расчетов мы используем точное (в рамках приближения ВКБ) уравнение с коэффициентами (13), что позволяет контролировать применимость приближения ВКБ при сни-

х

жении частоты или при значительных вариациях

функции G(s), а также условие прозрачности для

2

БМЗ-моды кв > 0.

Оба параметра у0 и А зависят как от ю, так и от кх. При изучении зависимости решения уравнения (10) от параметров волны удобно ввести нормированные частоту О и поперечное волновое число К при помощи соотношений

2

Y о = 2

(О (О

(k 2 V2

'KxyA0

= 2 Q3

A = KLV

A0

-1

ю = K Q ,

из которых получаются выражения

L ^1/2

Q = ю

(iVA 0^

K = k

L3 V

1/4

A0

(i

Формулы (14) для малых величин к0 и 5, входящих в точные выражения коэффициентов уравнения Риккати (10), приобретают вид

-2 „-2 „2 1/2 Ко = Q K | ,

52 = Q2|.

Уравнению (10) эквивалентна следующая система уравнений для модуля г и фазы ф отношения между амплитудами альфвеновской и БМЗ-волн R(s) = Г5)ехр^'ф(5)]:

dr = -C( 1

r )cos ф,

^ = A + C (r 1 - r) sin ф.

(15)

(16)

G 1.0

0

-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0

Рис. 3. Модельный профиль плотности плазмы вдоль

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