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, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.