Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Нелинейные структуры в атмосфере и плазме : Теория и математическое моделирование Каменец, Федор Федорович

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Каменец, Федор Федорович. Нелинейные структуры в атмосфере и плазме : Теория и математическое моделирование : диссертация ... доктора физико-математических наук : 05.13.16.- Долгопрудный, 1998.- 226 с.: ил. РГБ ОД, 71 00-1/21-2

Введение к работе

В настоящее время теория нелинейных процессов представляет собой обширную область научного знания, связанную с проблемами современной математической физики, с одной стороны, и с важными приложениями, с другой стороны. Традиционно гидродинамика и физика плазмы были и остаются источниками многочисленных задач и методов теории нелинейных процессов.

Среди многих задач гидродинамики изучение образования и взаимодействия нелинейных структур (вихрей, солитонов, магнитостатических пульсаций, кильватерных волн и др.) представляет собой исключительный интерес в связи с главенствующей ролью этих процессов в динамике атмосферы, океана и плазмы.

В последние годы задачи о гидродинамических вихревых структурах привлекли к себе особенно широкое внимание в связи с тем, что в июле 1994 года произошло крупное астрономическое событие — падение фрагментов кометы Щумейкера-Леви-9 в атмосферу Юпитера. В первые же два месяца в научных изданиях вышло свыше 500 работ, посвященных изучению катастрофы и ее последствий. Тогда же была опубликована статья, предсказывающая образование вихревых структур в атмосфере Юпитера после катастрофы (Ф.Ф.Каменец, A.M.Пухов, М.Ф.Иванов, В.Е.Фортов. // Письма в ЖЭТФ, т.60, вып.6, с.383-387, 1994).

Считается, что вихревые структуры ответственны за аномальный перенос энергии и частиц в тороидальных установках, предназначенных для создания управляемого термоядерного синтеза. Хорошо известна аналогия между волнами Россби и дрейфовыми волнами в плазме, находящейся в магнитном поле. Эта аналогия позволяет использовать опыт, накопленный при изучении динамики океана и планетарных атмосфер, в теории переноса в плазме токамаков и стеллараторов. В теоретическом плане исследование самоорганизации и других нелинейных процессов при эволюции дрейфовых вихревых образований имеет принципиально важное значение.

Следующая область исследований, в которой физика вихревых процес-

сов приобретает ключевое значение, связана с явлениями, протекающими в лазерной плазме. В наших работах было показано, что электронные вихревые дорожки, подобные классическим вихревым дорожкам фон Кармана создаются ультракороткими лазерными импульсами сверхвысокой интенсивности в плазме. С такими электронными вихревыми дорожками связаны сильные квазистатические магнитные поля: внутри вихрей магнитное поле имеет повышенную напряженность и изменяет знак при изменении знака завихренности.

В бесстолкновительной и слабостолкновительной плазме, находящейся в высокочастотном электромагнитном поле, генерация квазистатических магнитных полей (отклик на нулевой частоте) естественным образом связана с развитием низкочастотных (апериодических) неустойчиво-стей электромагнитного типа. Такого типа неустойчивости родственны известной неустойчивости Вейбеля. Они возбуждаются в плазме с анизотропным распределением частиц в пространстве импульсов. На нелинейной стадии их развития происходит перераспределение магнитного поля с формированием электронных вихревых структур. Анализ устойчивости вихревых систем показывает направление их эволюции и наиболее вероятные состояния, которые реализуются в реальных условиях взаимодействия лазерного излучения с плазмой.

Однако генерация квазистатических магнитных полей в лазерной плазме, при всей важности этого процесса, не исчерпывает круг задач, в которых необходимо привлекать методы теории нелинейных процессов. В последние годы происходит бурное развитие теории взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом. Это вызвано, в первую очередь, с резким повышением мощности современных короткоимпульсных лазерных установок, позволяющих получать поля, в которых релятивистская поправка к массе электрона во много раз превышает массу покоя частицы. В теоретическом плане этому способствуют доступность и чрезвычайно возросшее за последние десять лет быстродействие компьютеров (в том числе, и в особенности, персональных), позволяющих качественно и эффективно проводить численное моделирование взаимодействия сильных электромагнитных волн с бесстолкновительной плазмой с помощью

метода частиц-в-ячейке.

В экспериментах и при численном моделировании было установлено поразительное многообразие нелинейных эффектов, проявляющихся при взаимодействии мощных лазерных импульсов с плазмой. Численное моделирование даже в одномерном случае демонстрирует чрезвычайно сложный сценарий эволюции релятивистски сильного лазерного импульса в разреженной плазме, изобилующий проявлением множества нелинейных эффектов, — захват и ускорение заряженных частиц плазмы при проникновении импульса в плазму из вакуума; развитие вынужденного комбинационного рассеяния, приводящее к образованию ударных фронтов; возбуждение кильватерных плазменных волн, в поле которых происходит ускорение частиц плазмы; изменение локальной частоты электромагнитного излучения, приводящее к генерации релятивистских по амплитуде солитонов; распад и практически полное отражение импульса на поздних стадиях эволюции, вспышки вынужденного комбинационного рассеяния, сопровождающиеся появлением пространственно модулированных с масштабом длины плазменной волны пучков ускоренных частиц.

Длительность импульса существующих лазеров составляет десятки фемтосекунд. При мощности от десятков тераватт до петаватт, в результате фокусировки, интенсивность излучения достигает значений порядка 10 -г- 1021W/cm . Электрическое поле таких импульсов превышает характерное атомное поле. Это означает, что вещество под действием излучения оказывается практически мгновенно (т-Юп ~ Ю- sec) ионизованным. При этих условиях на первый план выступают особенности нелинейной оптики плазмы. Наиболее существенными оказываются эффекты, связанные с релятивистским утяжелением частиц плазмы в излучении импульса. В пределе релятивистских интенсивностеи лазерных импульсов происходит модификация известных ранее процессов и обнаруживаются совершенно новые эффекты. Это в первую очередь относится к таким явлениям, как самофокусировка и самоканалирование электромагнитного излучения, опрокидывание кильватерных плазменных волн и ускорение заряженных частиц, трансформация энергии излучения в другие виды волн, генерация высших гармоник, возбуждение солитонов и

электронных вихрей в плазме, вынужденное комбинационное рассеяние.

В качестве ярких примеров множества многообещающих приложений сверхмощных ультракоротких лазерных импульсов отметим новые методы ускорения заряженных частиц коллективными полями в плазме, концепцию быстрого зажигания мишени в проблеме управляемого термоядерного синтеза, создание источников мощного электромагнитного излучения рентгеновского диапазона.

Один из возможных каналов трансформации энергии лазерного излучения в плазме связан с возбуждением солитонов. В пределе релятивистских амплитуд электромагнитных волн динамика солитонов приобретает новые черты, отсутствующие в случае более умеренных значений электромагнитного поля. В частности, как показало численное моделирование методом частиц, в плазме докритической и сверхкритической концентрации солитоны таковы, что широко применяющееся приближение огибающих (в пределе слабой нелинейности оно приводит к нелинейному уравнению Шредингера) оказывается неадекватным рассматриваемому процессу. Это обстоятельство делает необходимым подробное исследование свойств солитонов в лазерной плазме.

В связи с различными применениями лазеров с ультракороткими импульсами (ускорители на кильватерных плазменных волнах, источники когерентного и некогерентного жесткого изучения) задача о распространении сильного лазерного излучения в узком канале представляет значительный интерес. В частности, необходимо выяснение основных механизмов истощения лазерного импульса и эффективности генерации гармоник излучения.

Перечисленный выше круг задач составляет основное содержание диссертации и обусловливает ее актуальность.

Изучение физики вихревых структур в атмосферах планет и плазме является основной целью настоящей диссертационной работы.

Целями диссертационной работы являлись:

Исследование образования вихрей в мелкой бароклинной атмосфере.

Расчет образования вихревых структур в атмосфере Юпитера в результате падения фрагментов кометы Шумейкера-Леви 9.

Изучение эволюции возмущений в атмосферах планет, вызванных падением крупных космических тел.

Исследование механизмов генерации квазистатического магнитного поля в слабостолкновительнои плазме, находящейся в сильном ВЧ поле.

Исследование диссипативного усиления альфвеновских вихрей.

Изучение нелинейных градиентных электронных волн.

Исследование устойчивости вихревых конфигураций в рамках приближения, описываемого уравнениями Чарни-Обухова.

Теоретический анализ и численное моделирование нелинейных процессов в следе ультракороткого лазерного импульса, распространяющегося в плазме с докритической концентрацией.

Аналитическое описание и численное моделирование релятивистских электромагнитных солитонов в плазме.

Теория и численное моделирование распространения релятивистки сильного лазерного импульса в тонком канале.

Научная новизна результатов диссертационной работы:

Впервые построена адекватная модель эволюции возмущений в атмосферах планет, вызванных падением крупных космических тел. Данная модель основана на наших исследованиях образования вихрей в мелкой бароклинной атмосфере. В рамках этой модели произведен расчет образования вихревых структур в атмосфере Юпитера в результате падения фрагментов кометы Шумейкера-Леви 9. Результаты расчетов оказались в хорошем согласии с данными наблюдений.

Выяснены основные механизмы генерации квазистатического магнитного поля в слабостолкновительнои плазме, находящейся в сильном ВЧ поле. Проведено исследование диссипативного усиления альфвеновских вихрей и нелинейных градиентных электронных волн. Впервые проведено исследование устойчивости вихревых конфигураций в рамках приближения, описываемого уравнениями Чарни-Обухова.

Теоретический анализ и численное моделирование распространения ультракороткого лазерного импульса в плазме с докритической концентрацией, показал широкое многообразие нелинейных процессов в его следе. Одним из наиболее ярких проявлений нелинейного взаимодействия является генерация релятивистских солитонов. Впервые проведено подробное аналитическое описание и численное моделирование релятивистских электромагнитных солитонов в плазме. Теоретический анализ и численное моделирование распространения релятивистски сильного лазерного импульса в тонком канале показали высокий темп истощения лазерного излучения, сопровождающийся ускорением электронов и генерацией гармоник лазерного излучения.

Научная и практическая значимость:

Проведенные исследования представляют интерес для широкого круга приложений таких, как физика планетарных атмосфер и океана; проблемы взаимодействия астероидов с атмосферой; физика переноса в плазме магнитных ловушек; генерация сверхсильных квазистатических магнитных полей в лазерной плазме; трансформация энергии лазерного излучения в энергию плазмы.

Теоретические методы и методы численного моделирования, развитые в диссертации, могут быть использованы в физике плазмы, гидродинамике, а также для анализа проблем физики нелинейных волн.

Апробация работы:

Материалы, вошедшие в диссертационную работу, обсуждались на семинарах МФТИ, ФИАН, ИОФАН, Университета Уппсалы (Швеция), Университета Пизы (Италия). Результаты этих работ докладывались на международных конференциях

1. Международная конференция "50 лет принципу автофазировки", ОИЯИ-Дубна, ФИАН-Москва. Июль, 1994.

  1. Международная конференция "Коротковолновое излучение и приложения", Звенигород. Февраль, 1995.

  2. International Conference "Lasers'94", Quebec. Canada. December, 1994.

  3. Международная конференция по применению лазеров, Звенигород. Февраль, 1995.

  4. XII International Conference on Laser Interaction and Related Plasma. Phenomena, Osaka, Japan. April, 1995.

  5. Международная конференция "Нелинейные процессы в лабораторной и космической плазме", Тулон, Франция. Май, 1995.

  6. Международная конференция по Когерентной и Нелинейной Оптике, "ICONO'95", Санкт-Петербург. Июнь, 1995.

Работы также докладывались на Российско-Итальянской рабочей группе "Нелинейные процессы в астрофизической и лабораторной плазме" (Звенигород, февраль, 1998), на всесоюзных рабочих группах по физике плазмы (Бакуриани, 1988, 1989), на российских конференциях по управляемому термоядерному синтезу и физике плазмы (Звенигород, 1996, 1997).

Основные результаты диссертации опубликованы в 21 статье в ведущих отечественных и зарубежных журналах.

Структура и объем работы:

Похожие диссертации на Нелинейные структуры в атмосфере и плазме : Теория и математическое моделирование