Нестационарные кинетические процессы в плазме с источниками и стоками частиц и волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Российская академия наук Р р Г 0 д Институт прикладной физики

- ь МЛГ 1995

На правах рукописи УДК 533.9

ДЕМЕХОВ Андрей Геннадьевич

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ КИНЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПЛАЗМЕ С ИСТОЧНИКАМИ И СТОКАМИ ЧАСТИЦ И ВОЛН

01.04.08 — физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 1995

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

Научный руководитель:

Защита состоится "20" марта 1995 г. в 14:00 на заседании специализированного совета К 003.38.01 в Институте прикладной физики РАН (603600, г. Нижний Новгород, ГСП-120, ул.Ульянова, 46)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН

Автореферат разослан "17" февраля 1995 г.

доктор физико-математических наук профессор В. Ю. Трахтенгерц

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А. П. Кропоткин

доктор физико-математических наук Е. В. Суворов

Ведущая организация:

Институт космических исследований РАН

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.'Мат. наук

А. М. Белянцев

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Современные теоретические исследования физики плазмы предполагают сопоставление результатов с весьма высокоразвитым экспериментом; это справедливо по отношению как к лабораторной, так и к космической плазме. Большая часть простейших эффектов известна, поэтому актуальным является рассмотрение достаточно сложных процессов. Среди причин, обусловливающих сложность поведения плазменных систем, можно выделить, в частности, следующие: (1) многокомпонентность плазмы (сложный ионный состав, различие в поведении разных энергетических компонент, влияние нейтральной составляющей); (2) сложная пространственно-временная картина внешних условий (геометрия, источники и стоки частиц и волн); (3) нелинейная динамика открытых (неконсервативных) систем, которая может порождать сложные режимы даже при относительно простых внешних условиях. Многообразие этих факторов порождает большой набор важных нерешенных задач в таких классических областях, как ускорение частиц и динамика неустойчивостей в плазме.

Среди них можно отметить задачи о нестационарных процессах ускорения в присутствии столкновений и других потерь. Ситуации, когда влияние ускоряющего поля и потерь сопоставимы друг с другом, достаточно типичны, и некоторые из них хорошо • изучены (убегание электронов в электрическом поле, аномальное сопротивление при ионно-звуковой неустойчивости). Последнее пока нельзя сказать о нестационарных ускорительных процессах, таких как адиабатическое и неадиабатическое магнитное сжатие или импульсное пересоединение. Часть диссертации посвящена исследованию эволюции функции распределения частиц при адиабатическом магнитном сжатии с учетом столкновений. Другой достаточно широкий круг проблем связан с влиянием накачки и диссипации энергии на характер развития плазменных неустойчивостей. В диссертации рассмотрен ряд задач

из этого круга. Все названные физические процессы во многом определяют эволюцию частиц и волн в магнитосферах Земли и планет, на Солнце и в лабораторных установках. В частности, они играют большую роль в формировании энергобаланса Земли; эта проблема интенсивно исследуется в настоящее время.

Таким образом, задачи, рассмотренные в диссертации, являются важными и актуальными.

Цель работы: (1) исследование ускорения частиц при адиабатическом магнитном сжатии с. учетом столкновений; (2) исследование общих закономерностей и конкретных проявлений влияния источников и стоков частиц и волн на развитие плазменных неустойчивостей

Научная новизна диссертационной работы. (1) Рассмотрены особенности одного из классических ускорительных механизмов в плазме, адиабатического магнитного сжатия, в присутствии столкновений. Для этой задачи использ.ована физическая и формальная аналогия с известным эффектом убегания электронов в электрическом поле, найдены аналитические и численные решения соответствующего кинетического уравнения. (2) Найдены некоторые общие закономерности формирования квазистационарных и импульсных режимов кинетических плазменных неустойчивостей в квазилинейной теории при наличии источников и стоков частиц и волн. Показано, что одномерная квазилинейная релаксация сводится к установлению равновесного состояния, тогда как нарушение одномерного приближения создает условия для формирования автоколебаний при постоянном источнике частиц и линейном затухании волн. (3) Изучены характеристики ряда конкретных явлений в космической и лабораторной плазме, связанных с развитием циклотронной неустойчивости (ЦП) в магнитных ловушках. На основе самосогласованной теории ЦН дано количественное объяснение параметров пульсирую-

щих пятен в полярных сияниях, закономерностей формирования асимметричного кольцевого тока в магнитосфере Земли, предложена интерпретация импульсной генерации свистового излучения, наблюдавшейся в лабораторных плазменных магнитных ловушках.

Основные работы по теме диссертации выполнены в период с 1986 по 1994 г.

Научная и практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы и используются при планировании и анализе экспериментов по исследованию закономерностей развития геомагнитных бурь, динамики радиационных поясов Земли, формирования возмущений в авроральной ионосфере. Они могут найти применение в изучении солнечной активности, магнитосфер планет, в проработке возможных методов управления параметрами электромагнитного излучения в лабораторных установках.

Апробация работы. Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей в научных журналах и сборнике, 4 статьи в трудах конференций, 1 препринт, 11 тезисов докладов.

Изложенные в диссертации результаты обсуждались на семинарах в ИПФ РАН, ИКИ РАН, в университете штата Миннесота (США). Эти материалы докладывались на Школе-семинаре «Ионосферные проявления солнечного ветра» (Прага, 1988), Всесоюзном совещании «Математические модели ближнего космоса» (Москва, 1988), V Международном симпозиуме КАПГ по солнечно-земной физике (Самарканд, 1989), Всесоюзном совещании по ВЧ нагреву плазмы (Киев, 1990), Международной конференции по физике плазмы (Пихль, Австрия, 1992, 1993),. Ген. Ассамблее Европейского геофизического общества (Эдинбург, Шотландия, 1992; Висбаден, ФРГ, 1993), Международной конференции по физике плазмы Солнечной системы (Иосемит-ский Нац. парк, США, 1993), Международной конференции по пространственно-временному анализу в исследовании плазменной

турбулентности (Ос.уа, Франция, 1993), Международной летней школе ио физике космической плазмы (Н.Новгород, 1993), XXIV Ген. Ассамблее УРСИ (Киото, Япония, 1993), 30-й Ассамблее КОСПАР (Гамбург, ФРГ, 1994).

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем работы — 153 страницы, рисунков — 26, таблиц — 1, библиография — 130 наименований.

Краткое содержание работы

- Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы основные задачи работы, приведено краткое содержание каждой главы, даны сведения об апробаций работы.

В первой главе рассматриваются особенности образования нетепловых распределений заряженных частиц при адиабатическом магнитном сжатии плазмы в присутствии кулоновских столкновений или турбулентной диффузии. Как известно, эффективная частота соударений как для кулоновского взаимодействия, так и для рассеяния на волнах уменьшается с ростом энергии частиц, поэтому даже слабые внешние поля могут вызвать значительные отклонения от равновесной функции распределения в области больших энергий. Из таких процессов наиболее подробно изучено явление «убегания» электронов во внешнем электрическом поле [1,2], можно назвать также эффект «теплового убегания» в плазме с градиентом температур. Убывание эффективной частоты столкновений и, соответственно, эффект убегания, имеет место и при взаимодействии частиц с плазменной турбулентностью; в частности, в случае электростатической турбулентности закон убывания такой же, как и для кулоновских столкновений. При адиабатическом магнитном сжатии эффект убегания проявляется не в увеличении вклада быстрых

частиц в электрический ток, переносимый главным образом электронами, а в возникновении питч-угловой анизотропии в области больших энергий; с другой стороны, скорость роста энергии при адиабатическом магнитном сжатии не зависит от массы частиц. Поэтому убегание может проявляться не только для электронов, но и для ионов. Обсуждаемый вопрос рассматривался в [3], где кинетические уравнения для электронов и ионов решались численно в области параметров, характерной для токамаков. Вместе с тем магнитное сжатие плазмы может играть существенную рольи в космической плазме, в частности, при ускорении частиц во время солнечных вспышек, а также на взрывной фазе маг-нитосферных суббурь [4]. Перечисленные процессы сильно различаются по своим параметрам, поэтому представляет интерес построение аналитических решений, а также поиск общих закономерностей в поведении функции распределения с помощью численных методов.

В диссертации рассмотрен случай достаточно медленного изменения магнитного поля, когда в области тепловых скоростей столкновения поддерживают квазиравновесную изотропную функцию распределения, а заметная анизотропия есть лишь при сверхтепловых энергиях. В разд. 1.1 приведены и качественно проанализированы исходные уравнения. Показано, что одно и то же кинетическое уравнение, записанное в безразмерных переменных где и = (1т — г/уей, и и в — скорость и питч-угол частиц, юу и у? — соответственно тепловая скорость и частота соударений тепловых частиц, отражает эволюцию функции распределения как при сжатии в однородной среде, так и в тороидальной конфигурации (если не учитывать градиентный дрейф частиц и дрейф из-за кривизны магнитных силовых линий). Сжатие по малому радиусу тора, а, аналогично случаю однородной среды, а сжатие по большому радиусу Д, при котором возрастает не поперечная, а продольная энергия частиц по отношению к магнитному полю, имеет в безразмерных переменных точно такой же эффект, как магнитная декомпрессия в

однородной среде. Влияние одновременного изменения малого и большого радиуса тора аддитивно учитывается в одной безразмерной функции, 7(г) = VjX{R!R — à/a) (для однородной среды -у(г) = г^1^}). При 7 > 0 изменение магнитного поля во времени дает преобладание поперечной энергии над продольной, и наоборот. Граница в пространстве скоростей между областями сильных и слабых столкновений находится при и = ис ~ 7-1/3.

Раздел 1.2 посвящен аналитическому исследованию задачи об убегании частиц при магнитном сжатии. Наиболее простым является случай 7 = const, который в однородной плазме -с ку-лоновскими столкновениями реализуется при экспоненциальном законе изменения магнитного поля во времени, а при турбулентной диффузии — при линейном законе. Если присутствуют потери частиц, временной масштаб которых не зависит от энергии, то 7 = const, если магнитное поле по определенному закону стремится к постоянной величине. При 7 = const < 1 в области «убегания» и > ис устанавливается «стационарное» распределение д/(и,в,т)/дт = 0, причем температура Т = mvy/2 растет по известному закону (Т ос В2/3 для однородной плазмы, Т <х (aR)~A/z для тороидальной конфигурации). В разд. 1.2.1 для случая 7 = const получены сшиваемые асимптотические решения кинетического уравнения с df/dr = 0, подобные известным решениям для убегающих электронов в слабом внешнем электрическом поле'[5,6], и определен, с. логарифмической точностью, поток «убегающих» частиц в пространстве скоростей.

В разд. 1.2.2 получены приближенные решения для области наиболее эффективного ускорения (т.е. для -yj. >> г>ц, если 7 > 0, и г>_1_ «С г>ц, если 7 < 0), основанные на упрощении оператора столкновений. Явный вид функции распределения удается записать для случая упругих соударений, при этом с помощью разделения переменных в приближенном уравнении найдено решение для произвольного закона 7(г).

В разд. 1.3 изложены результаты численных расчетов кинетического уравнения для электронов в однородной плазме с куло-

новскими столкновениями, которые сопоставлены с полученными аналитическими выражениями; обнаружено хорошее согласие численных и аналитических решений в области применимости последних. Из численных результатов найдены дополнительные соотношения для параметров функции распределения, в частности, получено, что при ут = 1 показатель питч-угловой анизотропии распределения, А = Е±/Е\\ - 1, зависит от 7 по закону

Во второй главе диссертации рассматривается влияние источников и стоков частиц и волн на динамику квазилинейной релаксации быстрых частиц в плазме. Известно, что в изолированной системе босстолкновительная квазилинейная релаксация сводится к размыванию начальной функции распределения с образованием расширяющегося плато [7], в то время как в неконсервативных системах, включающих источники и стоки частиц и волн, могут иметь место более сложные режимы — например, пульсации, включающие стадию накопления частиц при низком уровне энергии волн и стадию «вспышки», т.е. быстрого перехода свободной энергии частиц в излучение Эти пульсации в одних условиях представляют собой затухающие колебания около стационарного состояния, а в других условиях являются незатухающими. Характеристики таких режимов подробно исследовались в [8] применительно к теории циклотронной неустойчивости (ЦН) в магнитных ловушках. Надо отметить, что последовательный анализ как линейной, так и нелинейной стадии развития неустойчивости с учетом источников и стоков проведен лишь для некоторых простейших моделей [8]. В частности, обычно предполагалось, что изменения спектрального состава излучения малы, в том числе и на нелинейной стадии. Такой подход позволяет найти многие закономерности, справедливые и для более сложных систем. Вместе с тем, представляет интерес расширение класса моделей, динамику которых можно описать достаточно подробно; например, это важно для увеличения числа характеристик процесса, сопоставимых с экспериментальными данными. В

главе 2 обсуждаются две модели квазилинейной релаксации, учитывающие эволюцию спектра волн.

Простейшей из них является модель одномерной релаксации в однородной среде [7]. В разд. 2.1 показано, что в присутствии стационарного источника частиц и линейного затухания волн эта система уравнений имеет устойчивое состояние равновесия, и исследован процесс его установления. Если на начальной стадии неустойчивости спектр возбуждаемых волн относительно узок по сравнению со стационарным спектром, то при сильном отклонении от состояния равновесия, как и в соответствующей консервативной системе, в пространстве скоростей формируется автомодельное распределение в виде расширяющегося плато с квазиравновесным распределением, отделенного резкой движущейся границей от области с малым уровнем резонансной турбулентности, где эволюция системы определяется линейными процессами. В, разд. 2.1.2 показано, что использование малого параметра (отношение уровня энергии волн перед и за фронтом релаксации) позволяет, подобно классической задаче о релаксации пучка в плазме, найти не только вид автомодельного решения, но и закон движения границы, который в данном случае определяется как начальными условиями, так и характеристиками источников и стоков частиц и волн, в частности, соотношением между скоростью накопления частиц и затуханием волн. Это соотношение может быть охарактеризовано параметром а = (^¿у)-1? гДе V — декремент затухания волн, tJ — время накопления частиц до концентрации, соответствующей порогу неустойчивости. При малой мощности источника частиц (а <С 1) нелинейная стадия релаксации начинается через время ~ tJ после достижения порога, и ее длительность пропорциональна tJ\ в противоположном случае время от достижения порога неустойчивости до начала нелинейной стадии порядка нескольких tJ,U ~ а1/2^, а ее длительность порядка обратного начального инкремента, tr ос а-1/'2.

В разд. 2.1.1 рассмотрены малые колебания около стационар-, ного состояния одномерной системы квазилинейных уравнений.

Доказана устойчивость этого состояния и получены общие оценки декремента затухания и периода малых колебаний. В разд. 2.1.3 приведены результаты численных расчетов для неустойчивости свистовых волн; показано хорошее согласие численных результатов с автомодельным решением разд. 2.1.2 как при малой, так и при большой мощности источника частиц, и с аналитическими оценками параметров малых колебаний около состояния равновесия.

Вторая модель квазилинейной релаксации, обсуждаемая в главе 2, получается при простейшем учете неоднородности среды или двумерности фазового пространства (разд. 2.2). Соответствующая система уравнений описывает, например, динамику ЦН в неоднородной магнитной ловушке [8] и конусной неустойчивости в слабом магнитном поле [9]. Основное ее отличие от уравнений для квазилинейной релаксации в однородной плазме состоит в том, что в последних коэффициент диффузии и инкремент волн являются алгебраическими функциями от спектральной интенсивности волн и производной функции распределения частиц, тогда как в более сложной модели они выражаются интегралами с переменным пределом. В этом случае возможна неустойчивость стационарного состояния, при которой реализуется автоколебательный режим генерации волн. Существенную роль в механизме формирования автоколебаний играет модификация функции распределения и связанный с этим рост суммарного инкремента при развитии неустойчивости [8]; в диссертации рассмотрена модель, в которой этот процесс может сопровождаться значительным изменением частоты генерируемых волн. В разд. 2.2.1 получены численные решения уравнений ЦН в неоднородной магнитной ловушке, подтверждающие возможность установления автоколебаний в такой системе. В разд. 2.2.2 проанализирована устойчивость стационарного состояния для упрощенной системы, не учитывающей динамику спектра волн. Результаты, полученные ранее [8], обобщены для более широкого класса граничных условий, отражающих особенности

разных физических систем. Показано, что основным критерием возникновения автоколебаний является достаточно малая мощность источника частиц по отношению к характерной скорости диссипации волновой энергии в системе (а < асг < 1).

Результаты главы 2 имеют достаточно общий характер и применимы к различным типам неустойчивости.

Третья глава диссертации посвящена изучению некоторых конкретных явлений и соответствующих самосогласованных мо-' делей, связанных с развитием циклотронной неустойчивости свистовых волн в магнитосфере Земли й в лабораторных плазменных экспериментах с магнитными ловушками.

В разд. 3.1 и разд. 3.2 обсуждаются механизмы формирования пульсирующих полярных сияний на восстановительной фазе маг-нитосферной суббури, основанные на автоколебательном режиме циклотронной неустойчивости в авроральной и субавроральной областях магнитосферы. В этих областях средняя плотность фоновой плазмы мала, из-за чего условие циклотронного резонанса для типичных энергий электронов, Е ~ 10-40 кэВ, может быть выполнено лишь в отдельных волокнах с повышенной плотностью. Энергичные электроны поступают в эти волокна (дакты), вытянутые вдоль магнитного поля, в процессе поперечного магнитного дрейфа, включаются в резонансное взаимодействие с волнами и затем покидают волокно через противоположную боковую поверхность [10]. Сложность анализа полной системы квазилинейных уравнений оправдывает попытки поиска упрощенных, в том числе феноменологических, подходов, адекватно описывающих те или иные реальные ситуации. В разд. 3.1 анализируется одна из феноменологических моделей ЦН вистлеров, предложенная в [11] для объяснения пульсирующих пятен в полярных сияниях и связывающая автоколебательный режим ЦН с модуляцией заполнения электронами конуса потерь в процессе развития неустойчивости. Показано, что модуляция питч-угловой анизотропии только за счет заполнения конуса потерь на самом деле не приводит к автоколебательному режиму квазилинейной релакса-

ции. Этот режим можно объяснить на основе строгого подхода, учитывающего нелинейную модификацию распределения частиц вне конуса потерь.

Такой подход к объяснению пульсирующих полярных сияний использован в разд. 3.'2, где исследуется модель проточного циклотронного мазера (ПЦМ) [10], описывающая самосогласованную эволюцию питч-углового распределения электронов и спектра ОНЧ волн при развитии ЦН в магнитосферных дактах с учетом магнитного дрейфа электронов. В разд. 3.2.2 дается качественный анализ всех стадий неустойчивости. В разд. 3.2.3 рассмотрены результаты численного решения уравнений ПЦМ с параметрами, характерными для утреннего сектора аврораль-ной магнитосферы, где в основном наблюдаются пульсирующие пятна сияний. Разд. 3.2.4 посвящен сопоставлению теоретических результатов, в том числе изложенных в разд. 2.2, с известными экспериментальными данными. Показано, что в рамках модели ПЦМ находят естественное объяснение характерные периоды пульсирующих пятен, наблюдаемые потоки высыпающихся частиц и особенности спектров ОНЧ волн, а также широтная, долготная и временная зависимости параметров пульсаций.

В разд. 3.3 дан обзор и обсуждение некоторых проводившихся ранее, в 60-80-х годах, экспериментов с небольшими пробочными магнитными ловушками, в которых наблюдалась генерация коротких импульсов СВЧ излучения на частоте вблизи электронной гирочастот.ы иде (например, [12]). Наряду со значительными различиями в способах создания и поддержания плазмы (электронно-циклотронный нагрев, адиабатическое и неадиабатическое магнитное сжатие) и в проявлении неустойчивости, которая в одних экспериментах возникала во время нагрева, а в других — на стадии распада плазмы, можно отметить некоторые существенные общие характеристики этих экспериментов: излучение появлялось в достаточно разреженной плазме (шре < иве), при наличии высокоэнергичной электронной компоненты, Е ~ 10-100 кэВ, на частотах ниже и>ве, и длительность

импульсов была достаточно малой, по оценке порядка величины обратного инкремента ЦН. Связь СВЧ излучения с ЦН вистлеров, обусловленной, анизотропным распределением энергичных электронов по скоростям, достаточно очевидна, однако условия возникновения неустойчивости и малая длительность импульсов не получили ранее четкого объяснения.- В диссертации показано, что вышеперечисленные особенности можно понять на основе нескольких механизмов нелинейного увеличения суммарного инкремента на начальной стадии неустойчивости. В частности, периодические импульсы ЦН в двух экспериментах по ЭЦР нагреву плазмы удается связать с модификацией функции распределения быстрых частиц, всплеск циклотронного излучения при адиабатическом сжатии плазмы — с. уменьшением объемного затухания за счет прогрева фоновой плазмы возникающим излучением, развитие ЦН на стадии распада плазмы — с нелинейным включением обратной связи через резонатор вследствие выхода необыкновенной моды из отсечки при сбросе горячей плазмы на торцы ловушки.

Раздел 3.4 посвящен анализу некоторых особенностей влияния ЦН альвеновских волн на пространственно-временную динамику энергичных ионов в радиационных поясах Земли. Дрейфующие на запад в неоднородном магнитном поле Земли ионы (в основном протоны), средняя энергия которых превосходит энергию электронов, создают магнитосферный кольцевой ток (КТ), являющийся главным источником наземных магнитных возмущений в низких широтах. Краткая сводка наблюдательных характеристик КТ приведена в разд. 3.4.1. Хорошо известно, что во время главной фазы магнитных бурь появляется азимутально несимметричная компонента низкоширотного магнитного возмущения (а значит, и кольцевого тока) с характерным временем жизни 13 часа и с максимумом в вечернем секторе магнитосферы. На

£

восстановительной фазе бури и в спокойные периоды доминирует симметричная компонента, время жизни которой 10-20 часов. Известно также, что на главной фазе бурь увеличение потоков энер-

гичных протонов регистрируется преимущественно в вечернем и ночном секторах, здесь же расположен статистический максимум появления короткопериодных геомагнитных пульсаций, которым в магнитосфере соответствуют альвеновские волны. В диссертации эти наблюдательные данные объясняются с единой точки зрения, на основе самосогласованной теории ЦН альвенов-ских волн, учитывающей влияние азимутального дрейфа энергичных ионов и азимутальную неоднородность плазмосферы, имеющей большую радиальную протяженность в вечернем секторе. Показано, что вечерний плазмосферный выступ, в котором условия развития ДН наиболее благоприятны, служит нелинейным насыщающимся фильтром для протонов кольцевого тока: питч-угловая диффузия может оказаться достаточно сильной, чтобы на дневную сторону выступа прошли лишь протоны с концентрацией не. выше порога ЦН; эти протоны замыкают симметричную часть кольцевого тока, остальные высыпаются в ионосферу в области плазмосферного выступа и формируют асимметричную токовую петлю. Время жизни асимметричного возмущения в этой модели порядка времени магнитного дрейфа энергичных протонов через вечерний сектор, что соответствует наблюдаемой величине 1-3 часа, время эволюции симметричной части (10-20 часов) можно объяснить процессами перезарядки. Эти качественные соображения подкреплены в диссертации теоретическими результатами и анализом экспериментальных данных. В разд. 3.4.2 рассмотрена самосогласованная система балансных уравнений для циклотронного резонансного взаимодействия частиц и волн в кольцевом токе; найдены аналитические решения, приближенно описывающие развитие ЦН при плавном и кусочно-постоянном долготном профиле плазмосферного выступа, а также проведены численные расчеты. В разд. 3.4.3 даны результаты обработки новых экспериментальных данных об эволюции наземного низкоширотного магнитного возмущения во время магнитной бури 24-26.07.86. В разд. 3.4.4 проведено обсуждение полученных результатов.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы, являющиеся одновременно и положениями, выносимыми на защиту.

Основные результаты работы

1. Показано, что образование нетепловых распределений заряженных частиц по скоростям при адиабатическом магнитном сжатии плазмы с учетом кулоновских столкновений и рассеяния частиц на заданной волновой турбулентности имеет как физическое, так и формальное сходство с классической задачей об убегании электронов во внешнем электрическом поле. Получены приближенные аналитические решения кинетического уравнения, справедливые для сжатия или декомпресии как в однородной среде, так и в тороидальной конфигурации по большому и малому радиусу тора. Аналитические результаты проверены численными расчетами.

'¿. Рассмотрены особенности квазилинейной релаксации быстрых частиц в плазме в условиях, когда скорость поступления быстрых частиц (за счет инжекции или ускорения) сравнима с декрементом -затухания волн. Для одномерного приближения показано, что эволюция системы сводится к установлению стационарного состояния; получено приближенное аналитическое решение, позволяющее найти закон релаксации для любого соотношения между скоростью накопления частиц и декрементом затухания волн. В случае неоднородной среды или неодномерного фазового пространства возможна неустойчивость стационарного состояния, при которой реализуется автоколебательный режим генерации волн. Показано, что стационарное состояние может быть неустойчиво в широком классе граничных условий, отражающих особенности разных физических систем. Основным критерием возникновения автоколебаний является достаточно малая мощность источника частиц по отношению к характерной скорости диссипации волновой энергии в системе.

3. Рассмотрены механизмы формирования пульсирующих полярных сияний на восстановительной фазе магнитосферной суббури, основанные на пульсирующем режиме циклотронной неустойчивости вистлеров, порождаемой энергичными электронами в вытянутых вдоль магнитного поля волокнах (дактах) с повышенной плотностью фоновой плазмы. Проведено аналитическое и численное исследование модели проточного циклотронного мазера, учитывающей эволюцию питч-углового распределения частиц и спектра волн при развитии неустойчивости и магнитный дрейф энергичных электронов поперек дактов. Показано, что на основе данного механизма можно объяснить количественные и качественные характеристики пульсирующих полярных сияний, такие как временные параметры пульсаций, особенности спектра ОНЧ волн, широтную и долготную зависимости параметров.

4. Исследованы особенности импульсной генерации электромагнитного излучения, наблюдавшейся в ряде экспериментов с плазменными магнитными ловушками. Показана возможность объяснения этих экспериментов с единых позиций, привлекая механизмы нелинейного увеличения суммарного инкремента в процессе развития неустойчивости: (1) нелинейное уменьшение частоты отсечки за счет сброса горячей плазмы на торцы ловушки, (2) уменьшение коэффициента объемного затухания из-за нагрева фоновой плазмы возникающим излучением и (3) рост инкремента за счет нелинейного изменения питч-углового распределения быстрых электронов.

5. На основе теоретического исследования и анализа экспериментальных данных объяснены с единых позиций пространственные и временные характеристики магнитосферного кольцевого тока и связанного с ним наземного магнитного возмущения. Результат основан на самосогласованной трехмерной модели, учитывающей высыпания энергичных ионов при гирорезонансном возбуждении ионно-циклотронных волн, азимутальный дрейф ионов и асимметрию плазмосферы. Проведено сопоставление выводов теории с экспериментальными данными, в том числе с извест-

ными статистическими данными о частицах и волнах в области кольцевого тока, а также с новыми результатами об эволюции низкоширотного наземного магнитного возмущения. Предлагаемая модель объясняет различие времен релаксации симметричной и несимметричной частей кольцевого тока и локализацию асимметричного кольцевого тока в вечернем секторе, наблюдаемый максимум частоты появления ионно-циклотронных волн в вечернем секторе и их характерную амплитуду.

Список работ то теме диссертации

1. Богомолов Я. Л., Демехов А. Г., Трахтенгерц В. Ю., Шер Э. М., Юнаковский А. Д. Об эффекте «убегания» при адиабатическом магнитном сжатии плазмы // Физика плазмы. 1988.14, №5. С. 539-546.

2. Demekhov A. G., V. Yu. Trakhtengerts, Ya. L. Bogomolov, E. M. Scher, and A. D. Yunakovsky. Runaway effect in adiabatic. magnetic compression of plasmas, Proc. Int. Workshop on Plasma Phys. // dbv-Verlag für die Technische Universität Graz, Austria, 1993, p.'294-301.

3. Богомолов Я. Л., Демехов А. Г., Трахтенгерц В. Ю., Шер Э. М., Юнаковский А. Д. О динамике квазилинейной релаксации быстрых частиц в плазме при наличии источников и стоков частиц и волн. // Препринт №211. Горький, ИПФ АН СССР, 1988. 30 С.

4. Богомолов Я. Л., Демехов А. Г., Трахтенгерц В. Ю., Шер Э. М., Юнаковский А. Д. О динамике, квазилинейной релаксации быстрых частиц в плазме при наличии источников и стоков частиц и волн. // Физика плазмы. 1991. 17, №6. С. 686-695.

5. Demekhov A. G., V. Yu. Trakhtengerts, Ya. L. Bogomolov, E. M. Scher, and A. D. Yunakovsky, On the dynamics of fast particles quasi-linear relaxation in a plasma with particle and wave sources and sinks. // Proc. Int. Workshop on Plasma Phys.. dbv-Verlag für die Technische Universität Graz, Austria. 1993. P.159-164,

6. Demekhov A. G., and V. Yu. Trakhtengerts. High-resolution velocity space modelling of wave-particle interactions in space plasmas. // Proc. Int. Conf. on Spatio-Temporal Analysis for Resolving Plasma Turbulence, ESA WPP-047, 1993. P. 117-121.

7. Демехов А. Г. О роли конуса потерь в формировании пульсирующего режима циклотронной неустойчивости вистлеров. // Геомагнетизм и аэрономия. 1991. 31, №6. С. 1099-1101.

8. Богомолов Я. JL, Демехов А. Г., Трахтенгерц В. Ю., Шер Э. М., Юнаковский А. Д. Особенности развития циклотроноой неустойчивости в магнитосферных дактах. // Труды Междунар. Семинара КАПГ «Ионосферные проявления солнечного ветра». Прага, 1988. С. 177-181.

9. Богомолов Я. Л., Демехов А. Г., Трахтенгерц В. Ю., Шер Э: М., Юнаковский А. Д. Особенности динамики проточного циклотронного мазера в магнитосфере. Земли. // Магнитосферные исследования. 1990. №16. М.: Сов. Радио. С.55-58.

10. Demekhov, A. G., and V. Yu. Trakhtengerts, A mechanism of formation of pulsating anrorae. // J. Geophys. Res.. 1994. 99, №4. P. 5831-5841.

1.1. Bosinger, Т., Kaila, K., Rasinkangas, R., Pollari, P., Trakhtengerts, V. Y., Demekhov, A. G., An EISCAT Study of a Pulsating Auroral Arc: (I) Simultaneous Ionospheric. Electron Density, Auroral Luminosity and Magnetic Field Pulsations. // J. Aimos. Terr. Phys.. 1995. 57 (In press).

12. Демехов А. Г., Трахтенгерц В. Ю. Некоторые вопросы динамики излучения в плазменных магнитных ловушках // Изв. вузов — Радиофизика. 1986. 29, №9. С. 1117-1128.

13. Беспалов П. А., Демехов А. Г., Графе А., Трахтенгерц В. Ю. Не-■ которые аспекты динамики несимметричного кольцевого тока. //

Геомагнетизм и аэрономия. 1990. 30, №5. С. 740-746.

14. Bespalov P. A., A. G. Demekhov, A. Grafe, and V. Yu. Trakhtengerts, On the role of collective interactions in asymmetric ring current formation. // Ann. Geophys.. 1994.12, №5. P. 422-430.

Цитированная литература

1. Dreicer, H. Electron and ion runaway in a fully ionized gas, II. // Phys. Rev. 1960. 117, №2. P. 329-342.

2. Гуревич А. В. К теории эффекта убегающих электронов. // ЖЭТФ. 1960. 39, №5. С. 1296-1307.

3. Кисляков, А. И., Краснльников А. В., Щемелинин С. Г. Особенности поведения функии распределения ионов в плазме токамака при магнитном адиабатическом сжатии // Физика плазмы. // 1985. 11, №1. С. 91-95.

4. Kaufmann, R. L. Electron acceleration during-tail collapse. //J- Geo-phys. Res. 1974. 79, №4. P. 549-553.

5. Лебедев A. H. К теории «убегающих» электронов. // ЖЭТФ. 1965. 48, №5. С. 1393-1397.

6. Гуревич А. В., Димант Я. С., Днестровский Ю. Н., Смирнов А. П. Влияние электрического поля на функции распределения энергичных электронов // Физика плазмы. 1979. 5, №4. С. 777-785.

7. Иванов А. А., Рудаков Л. И. Динамика квазилинейной релаксации бесстолкновительной плазмы. // ЖЭТФ. 1966. 51, №5. С. 15221534.

8. Беспалов П. А., Трахтенгерц В. Ю. Альфвеновские мазеры. Горький: ИПФ АН СССР, 1986.

9. Веденов А. А., Рютов Д. Д. Квазилинейные эффекты в потоковых неустойчивостях. // Вопросы теории плазмы / под ред. М. А. Леон-товича. М.:Атомиздат, 1972. Т. 6. С.3-69.

10. Трахтенгерц В. Ю., Тагиров В. Р., Черноус С. А. Проточный циклотронный мазер и импульсные ОНЧ излучения. // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. 26, №1. С. 99-106.

11. Davidson, G. Т., Chiu, Y. Т. A closed nonlinear model of wave-particle interactions in the outer trapping and morningside auroral regions // J. Geophys. Res. 1986. 91, JN6A12. P. 13705-13710.

12. Alikaev, V. V., Glagolev, V. M., Morosov, S. A. Anisotropic instability in a hot electron plasma, contained in an adiabatic trap. // Plasma

Phys. 1968. 10, №8. P. 753-774.