Нестационарные процессы в открытых плазменных системах и динамика магнитосферных циклотронных мазеров

• Автор: Демехов, Андрей Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 263 с. : ил.

0.1 Общая характеристика работы

0.1.1 Предмет исследования

0.1.2 Актуальность темы диссертации

0.1.3 Цели работы

0.1.4 Научная новизна диссертационной работы

0.1.5 Научная и практическая значимость

0.1.6 Апробация работы. Публикации

0.2 Краткое содержание работы

0.3 Основные научные положения, выносимые на защиту

0.4 Благодарности

1 Основные используемые уравнения и модели

1.1 Исходные приближения
1.2 Уравнения взаимодействия частиц с квазимонохроматической волной
1.3 Уравнения квазилинейной теории
2 Общие закономерности динамики квазилинейной релаксации быстрых частиц в плазме с источниками и стоками частиц и волн
2.1 Одномерная релаксация в однородной среде: установление стационарного состояния
2.1.1 Параметры состояния равновесия и малых затухающих колебаний вблизи него
2.1.2 Нелинейная стадия релаксации
2.1.3 Результаты численных расчетов
2.2 «Неодномерная» квазилинейная релаксация: возникновение автоколебаний
2.2.1 Исходные уравнения
2.2.2 Анализ устойчивости состояния равновесия для модельной задачи
2.2.3 Возникновение автоколебаний: результаты численного решения
2.3 О роли конуса потерь в формировании автоколебательного режима
циклотронной неустойчивости в магнитной ловушке
2.4 Формирование «ступеньки» на функции распределения при квазилинейной релаксации

3 Квазипериодические режимы генерации шумовых излучений волн
в космических и лабораторных магнитных ловушках
3.1 Механизм формирования пульсирующих пятен в полярных сияниях:
исследование модели проточного циклотронного мазера
3.1.1 Описание модели ПЦМ
3.1.2 Качественный анализ пульсирующего режима ПДМ
3.1.3 Результаты численных расчетов
3.1.4 Сопоставление результатов с экспериментальными данными
3.2 Влияние нестационарности источника частиц на пульсирующие режимы ЦН
3.2.1 Влияние крупномасштабной модуляции магнитного поля на пульсирующий режим ЦН
3.2.2 Изменение режимов при адиабатической перестройке источника
3.3 Механизм формирования короткопериодных гидромагнитных пульсаций типа «жемчужин» в диапазоне 0.1-5 Гц
3.3.1 Уравнения альвеновского свип-мазера
3.3.2 Результаты численных расчетов
3.3.3 Влияние модуляции усиления гидромагнитными пульсациями
3.3.4 Обсуждение результатов численных расчетов
3.3.5 Интерпретация вертикальных профилей поля Рс1 в ионосфере
3.3.6 Обсуждение
3.4 Импульсная генерация СВЧ излучения в лабораторных магнитных ловушках: обсуждение некоторых экспериментов
3.4.1 Своеобразие условий в лабораторных магнитных ловушках по сравнению с радиационными поясами Земли
3.4.2 Выход излучения из отсечки
3.4.3 Насыщение объемного поглощения
3.4.4 Нелинейная модуляция инкремента ЦН
4 Роль коллективных процессов в формировании частичного кольцевого тока в магнитосфере Земли
4.1 Краткий обзор известных экспериментальных результатов по динамике

4.2 Вклад турбулентной диффузии в распад кольцевого тока
4.2.1 Самосогласованные балансные уравнения для частиц и волн в кольцевом токе
4.2.2 Решения балансных уравнений и характеристики эволюции КТ
4.2.3 Взаимосвязь потерь на перезарядку и высыпаний в динамике КТ
4.3 Анализ наблюдательных данных о динамике КТ
4.3.1 Эволюция низкоширотного наземного магнитного возмущения
во время магнитной бури 24-26.07
4.3.2 Зависимость асимметрии КТ от интенсивности магнитной бури
4.4 Обсуждение
5 Самосогласованная теория триггерных КНЧ-ОНЧ излучений в магнитосфере Земли
5.1 Качественная картина генерации триггерного излучения

5.2 Формирование пучков энергичных электронов при взаимодействии частиц с волнами в неоднородном магнитном поле
5.2.1 Предварительные замечания
5.2.2 Параметры «пучка»: результаты численных расчетов
5.2.3 Обсуждение основных свойств электронов, ускоренных первичным волновым пакетом
5.3 Циклотронное усиление волн нестационарными потоками энергичных частиц
5.3.1 Исходные уравнения
5.3.2 Случай ступеньки по продольной скорости
5.3.3 Случай пучка по продольной скорости
5.3.4 Обсуждение и выводы к разд. 5
5.4 Роль «антенного эффекта» в триггерных излучениях
5.4.1 Постановка задачи
5.4.2 Функция распределения электронов после выхода из первичного
волнового пакета
5.4.3 Антенный эффект и начальный сдвиг частоты вторичных волн
5.4.4 Результаты численных расчетов «антенного эффекта»
5.4.5 Обсуждение и оценки эффекта
5.5 Общая картина формирования спектра триггерных излучений
6 Режим лампы обратной волны в магнитосферном циклотронном мазере и происхождение хоровых КНЧ-ОНЧ излучений в магнитосфере Земли
6.1 Упрошенная нелинейная модель магнитосферной ЛОВ
6.2 Линейная теория магнитосферной ЛОВ
6.2.1 Оценки параметров линейной стадии режима ЛОВ для хоровых
ОНЧ излучений
6.3 Нелинейная динамика магнитосферной ЛОВ
6.3.1 Результаты численных расчетов для однородного магнитного поля224
6.3.2 Численные расчеты динамики С-ЛОВ для неоднородной среды
6.4 Сопоставление с наблюдениями
Заключение

В [137-139] автоколебательный режим ЦН связывается с перераспределением частиц между областью конуса потерь и областью адиабатического удержания: форма спектра волн предполагается неизменной. В данном разделе показано, что при этих допущениях феноменологический подход и физические рассуждения ведут скорее к выводу об отсутствии автоколебаний, чем об их наличии.
Исходные уравнения модели в обозначениях [137-139] имеют вид
Здесь Я — поток захваченных быстрых электронов, Б — обратное время потерь частиц из-за диффузии на волнах (О ос Ш, где ТV — плотность энергии волн), у — инкремент ЦН, который выражается приближенной формулой
(С — константа, А — показатель питч-угловой анизотропии, Со = ш/и>нь <С 1, и>нь — гирочастота электронов в экваториальном сечении геомагнитной ловушки).
Уравнения (2.53а),(2.53Ь) предложены в [141] и использованы в модели пульсаций [142]. Переход к умеренной диффузии в них учтен с помощью знаменателя (1 + Лт^) в 1-м слагаемом правой части (2.53а); без этого знаменателя имеем двухуровневое приближение теории альвеновского мазера [8]. Система (2.53а),(2.53Ь),(2.54) имеет решение в виде затухающих колебаний около стационарного состояния. Автоколебательный режим связан с уравнением (2.53с), которое, таким образом, играет основную роль в модели пульсаций [137-139]. Рассмотрим это уравнение подробнее. Из (2.53с),(2.54) следует, что
(Со = const), т.е. слагаемое (т^/тд) (Do — D)/( 1 + Dts(i) в (2.53c) соответствует (A — Co)-1 dA/dt. Очевидно, что это слагаемое неправильно описывает изменение анизотропии, т.к. оно дает экспоненциальный рост анизотропии (и инкремента) в отсутствие волн и источника частиц. На самом же деле анизотропия должна при этом стремиться к постоянному значению, соответствующему конусу потерь. Источник частиц в отсутствие волн и конуса потерь, очевидно, также приводит к установлению постоянного значения анизотропии. Таким образом, система (2.53), предложенная в [138, 139] для объяснения автоколебательного характера ЦН, вряд ли отвечает реальным процессам в пульсирующих пятнах.
Выведем заново уравнение для у вместо (2.53с), основываясь на тех же представлениях о функции распределения, что и авторы [138, 139]. Распределение энергичных электронов в модели [138, 139] характеризуется двумя переменными — потоком частиц S и анизотропией А, причем в своих рассуждениях они используют функцию вида
(2.53а)
(2.53Ь)
(2.53с)
dD/dt = £>(у — и) + Wo/Vsd
d'y/dt = у — + S 1dS/dt
_tr 1 + Drsd
7 = CS(A - Co)
(2.54)
7 1d"f/dt = S 1 dS/dt + (A — Co) 1 dA/dt
(2.55)
/ = Nhg(v) [q+ (1 - q)