Обсуждаются теоретические исследования волновых процессов во вращающейся астрофизической плазме. Особое внимание уделено новым теоретическим моделям астрофизической плазмы, таким как магнитогидродинамическое приближение мелкой воды и неупругое приближение наряду с часто применяемым приближением Буссинесска. Помимо традиционного приближения для силы Кориолиса обсуждаются эффекты, вызванные ее нетрадиционным представлением, учитывающим горизонтальную составляющую вращения. Подробно описаны линейные волны в такой плазме и обсуждаются их дисперсионные характеристики. Приведен обзор неустойчивостей в астрофизической плазме вследствие нелинейных эффектов.
Предпросмотр статьи
Идентификаторы и классификаторы
Большинство наблюдаемых объектов во Вселенной находится в состоянии плазмы и подвержены вращению. В последнее время активно развиваются теоретические и численные исследования, направленные на решение фундаментальной проблемы описания и изучения многомасштабных течений плазмы путем исследования общих свойств, характеризующих различные астрофизические объекты.
Поведение различных звезд и планет описывается магнитной гидродинамикой тонких слоев плазмы со свободной границей в поле силы тяжести. Например, течения солнечного тахоклина (тонкого слоя внутри Солнца, находящегося над конвективной зоной) [1–3], динамика атмосфер нейтронных звезд [4, 5], течения аккреционных дисков нейтронных звезд [6, 7], экзопланеты с магнитоактивными атмосферами, захваченные приливами звезд [8–10].
Список литературы
1. Miesch M.S., Gilman P.A. // Solar Phys. 2004. V. 220. P. 287. EDN: FOWAFD
2. Gilman P.A. // Astrophys. J. Lett. 2000. V. 544. P. L79.
3. Zaqarashvili T.V., Oliver R., Ballester J.L., Shergelashvili B.M. // Astron. Astrophys. 2007. V. 470. P. 815.
4. Heng K., Spitkovsky A. // Astrophys. J. 2009. V. 703. P. 1819.
5. Spitkovsky A., Levin Y., Ushomirsky G. // Astrophys. J. 2002. V. 566. P. 1018.
6. Inogamov N.A., Sunyaev R.A. // Astron. Lett. 1999. V. 25. P. 269.
7. Inogamov N.A., Sunyaev R.A. // Astron. Lett. 2010. V. 36. P. 848. EDN: OHOEOL
8. Cho J.Y.K. // Philosophical Transac. Royal Soc. A: Mathematical, Phys. Engineering Sci. 2008. V. 366. P. 4477.
9. Heng K., Workman J. // Astrophys. J. Supplement Ser. 2014. V. 213. P. 27.
10. Heng K., Showman A.P. // Ann. Rev. Earth Planetary Sci. 2015. V. 43. P. 509.
11. Tobias S.M., Diamond P.H., Hughes D.W. // Astrophys. J. Lett. 2007. V. 667. P. L113. EDN: WQZTSH
12. Balk A.M. // Astrophys. J. 2014. V. 796. P. 143. EDN: XSOIFL
13. Карельский К.В., Петросян А.С., Тарасевич С.В. // ЖЭТФ. 2011. Т. 140. С. 606. EDN: OBUIRT
14. Karelsky K.V., Petrosyan A.S., Tarasevich S.V. // Physica Scripta. 2013. V. T155. P. 014024.
15. De Sterck H. // Phys. Plasmas. 2001. V. 8. P. 3293.
16. Dellar P.J. // Phys. Plasmas. 2003. V. 10. P. 581.
17. Zeitlin V. // Nonlinear Processes Geophys. 2013. V. 20. P. 893. EDN: SRPOGJ
18. Aristov S.N., Frik P.G. // J. Appl. Mechanics Technical Phys. 1991. V. 32. P. 189. EDN: ZONZGY
19. Карельский К.В., Петросян А.С., Черняк А.В. // ЖЭТФ. 2012. Т. 141. С. 1206. EDN: POOJKR
20. Карельский К.В., Петросян А.С., Черняк А.В. // ЖЭТФ. 2013. Т. 143. С. 779. EDN: QCHUHR
21. Зельдович Б., Райзер Ю. Физика ударных волн и высокотемпературных явлений. М.: Наука, 1966.
22. Рождественский Б.Л., Яненко Н.Н. Системы квазилинейных уравнений и их приложения к газовой динамике. М.: Наука, 1968.
23. Годунов С.К. // Математич. сборник. 1959. Т. 47. С. 271.
24. Karelsky K.V., Petrosyan A.S., Slavin A.G. // Russian J. Numerical Analysis Mathematical Modelling. 2009. V. 24. № 3. P. 229. EDN: MWTTTX
25. The solar tachocline // Eds. Hughes D.W., Rosner R., Weiss N.O. Cambridge University Press, 2007.
26. Dikpati M., Gilman P.A. // Astrophys. J. 2001. V. 551. P. 536.
27. Zaqarashvili T.V., Oliver R., Ballester J.L., Carbonell M., Khodachenko M.L., Lammer H., Leitzinger M., Odert P. // Astron. Astrophys. 2011. V. 532. P. A139. EDN: OLWBRT
28. Braithwaite J., Spruit H.C. // Royal Soc. Open Sci. 2017. V. 4. P. 160271.
29. Philidet J., Gissinger C., Ligniéres F., Petitdemange L. // Geophys. Astrophys. Fluid Dynamics. 2020. V. 114. P. 336. EDN: TNFKLT
30. Stone J.M., Hawley J.F., Gammie C.F., Balbus S.A. // Astrophys. J. 1996. V. 463. P. 656.
31. Batygin K., Stanley S., Stevenson D.J. // Astrophys. J. 2013. V. 776. P. 53.
32. Löptien B., Gizon L., Birch A.C., Schou J., Proxauf B., Duvall Jr. T.L., Bogart R.S., Christensen U.R. // Nature Astron. 2018. V. 2. P. 568.
33. Dikpati M., Belucz B., Gilman P.A., McIntosh S.W. // Astrophys. J. 2018. V. 862. P. 159. EDN: YJIDWH
34. Böning V.G.A., Hu H., Gizon L. // Astron. Astrophys. 2019. V. 629. P. A26.
35. Saio H. // Astrophys. J. 1982. V. 256. P. 717.
36. Sturrock P.A., Bush R., Gough D.O., Scargle J.D. // -Astrophys. J. 2015. V. 804. P. 47. EDN: VELIQJ
37. Wolff C.L. // Astrophys. J. 1998. V. 502. P. 961.
38. McIntosh S.W., Cramer W.J., Marcano M.P., Lea-mon R.J. // Nature Astron. 2017. V. 1. P. 0086. EDN: SUYGBS
39. Zaqarashvili T.V., Gurgenashvili E. // Frontiers Astron. Space Sci. 2018. V. 5. P. 7.
40. Gizon L., Fournier D., Albekioni M. // Astron. Astrophys. 2020. V. 642. P. A178. EDN: KIQWHI
41. Dikpati M., Cally P.S., McIntosh S.W., Heifetz E. // Sci. Reps. 2017. V. 7. P. 14750. EDN: YISRMB
42. Hunter S. Waves in shallow water magnetohydrodynamics: диc. University of Leeds, 2015.
43. Федотова М.А., Климачков Д.А., Петросян А.С. // Физика плазмы. 2020. Т. 46. С. 57. EDN: COQKQI
44. Petrosyan A.S., Klimachkov D.A., Fedotova M.A., Zinyakov T.A. // Atmosphere. 2020. V. 11. P. 314. EDN: ONQFJH
45. Karelsky K.V., Petrosyan A.S., Tarasevich S.V. // J. Experimental Theoretical Phys. 2014. V. 119. P. 311. EDN: SESMNX
46. Климачков Д.А., Петросян А.С. // ЖЭТФ. 2016. Т. 149. С. 965. EDN: WRKZMX
47. Климачков Д.А., Петросян А.С. // ЖЭТФ. 2016. Т. 150. С. 602. EDN: WXFEXR
48. Климачков Д.А., Петросян А.С. // ЖЭТФ. 2017. Т. 152. С. 705. EDN: ZHNDTR
49. Klimachkov D.A., Petrosyan A.S. // Phys. Lett. A. 2017. V. 381. P. 106. EDN: XTTUJJ
50. Zaqarashvili T.V., Oliver R., Ballester J.L. // Astrophys. J. Lett. 2009. V. 691. P. L41.
51. Márquez-Artavia X., Jones C.A., Tobias S.M. // Geophys. Astrophys. Fluid Dynamics. 2017. V. 111. P. 282.
52. Zaqarashvili T. // Astrophys. J. 2018. V. 856. P. 32. EDN: YGOUEX
53. Петвиашвили В.И., Похотелов О.А. Уединенные волны в плазме и атмосфере. М.: Энергоатомиздат, 1989.
54. Vallis G.K. Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics: Fundamentals and Large-Scale Circulation. Cambridge Univ. Press, 2006.
55. Zeitlin V. Geophysical fluid dynamics: understanding (almost) everything with rotating shallow water models. Oxford Univ. Press, 2018.
56. Kaladze T.D., Horton W., Kahlon L.Z., Pokhotelov O., Onishchenko O. // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2013. V. 118. P. 7822. EDN: TANSPJ
57. Онищенко О.Г., Похотелов О.А., Астафьева Н.М. // УФН. 2008. Т. 178. С. 605. EDN: JPITJT
58. Onishchenko O.G., Pokhotelov O.A., Sagdeev R.Z., Shukla P.K., Stenflo L. // Nonlinear Processes Geophys. 2004. V. 11. P. 241. EDN: LIUOLF
59. Dikpati M., Charbonneau P. // Astrophys. J. 1999. V. 518. P. 508.
60. Dikpati M., Gilman P.A., Chatterjee S., McIntosh S.W., Zaqarashvili T.V. // Astrophys. J. 2020. V. 896. P. 141. EDN: SYTCDQ
61. Mandal K., Hanasoge S. // Astrophys. J. 2020. V. 891. P. 125. EDN: PZSZXL
62. Raphaldini B., Raupp C.F.M. // Astrophys. J. 2015. V. 799. P. 78.
63. Raphaldini B., Medeiros E., Raupp C.F.M., Teruya A.S. // Astrophys. J. Lett. 2020. V. 890. P. L13.
64. Andersson N., Kokkotas K., Schutz B.F. // Astrophys. J. 1999. V. 510. P. 846.
65. Lou Y.Q. // Astrophys. J. Lett. 2001. V. 563. P. L147.
66. Lou Y.Q., Lian B. // Monthly Notices Royal Astron. Soc. 2012. V. 420. P. 2147. EDN: YCDWCL
67. Liang Z.C., Gizon L., Birch A.C., Duvall Jr. T.L. // A-stron. Astrophys. 2019. V. 626. P. A3.
68. Dikpati M., McIntosh S.W., Bothun G., Cally P.S., Ghosh S.S., Gilman P.A., Umurhan O.M. // Astrophys. J. 2018. V. 853. P. 144. EDN: YECXUT
69. Lou Y.Q. // Astrophys. J. 2000. V. 540. P. 1102.
70. Dikpati M., McIntosh S.W. // Space Weather. 2020. V. 18. P. e2018SW002109.
71. Dikpati M., McIntosh S.W., Wing S. // Frontiers Astron. Space Sci. 2021. V. 8. P. 71.
72. Kuhn J.R., Armstrong J.D., Bush R.I., Scherrer P. // Nature. 2000. V. 405. P. 544.
73. Gibson S.E., Vourlidas A., Hassler D.M., Rachmeler L.A., Thompson M.J., Newmark J., Velli M., Title A., McIntosh S.W. // Frontiers Astron. Space Sci. 2018. V. 5. P. 32.
74. Zaqarashvili T.V., Carbonell M., Oliver R., Ballester J.L. // Astrophys. J. 2010. V. 709. P. 749.
75. Zaqarashvili T.V., Oliver R., Hanslmeier A., Carbonell M., Ballester J.L., Gachechiladze T., Usoskin I.G. // Astrophys. J. Lett. 2015. V. 805. P. L14. EDN: UPJXUH
76. McIntosh S.W., Leamon R.J., Krista L.D., Title A.M., Hudson H.S., Riley P., Harder J.W., Kopp G., Snow M., Woods T.N., Kasper J.C., Stevens M.L., Ulrich R.K. // Nature Communic. 2015. V. 6. P. 6491. EDN: URHRSF
77. Климачков Д.А., Петросян А.С. // ЖЭТФ. 2018. Т. 154. С. 1239. EDN: YQGXID
78. Федотова М.А., Петросян А.С. // ЖЭТФ. 2020. Т. 158. С. 374. EDN: SEOOIV
79. Yano J.I. // J. Fluid Mechanics. 2017. V. 810. P. 475. EDN: SKRFHO
80. Billant P., Chomaz J.M. // Phys. Fluid. 2001. V. 13. P. 1645. EDN: LNIKON
81. Lee S., Takada R. // Indiana University Mathematics J. 2017. P. 2037.
82. Takehiro S. // Phys. the Earth and Planetary Interiors. 2015. V. 241. P. 37.
83. Takehiro S., Sasaki Y. // Phys. the Earth and Planetary Interiors. 2018. V. 276. P. 258.
84. Nakagawa T. // Phys. the Earth and Planetary Interiors. 2011. V. 187. P. 342–352.
85. Berkoff N.A. The Anelastic Approximation: Magnetic Buoyancy and Magnetoconvection: диc. University of Leeds, 2011.
86. Spiegel E.A., Veronis G. // Astrophys. J. 1960. V. 131. P. 442.
87. Spiegel E.A., Weiss N.O. // Geophys. Astrophys. Fluid Dynamics. 1982. V. 22. P. 219.
88. Федотова М.А., Петросян А.С. // ЖЭТФ. 2020. Т. 158. С. 1188. EDN: ONLDWM
89. Fedotova M., Klimachkov D., Petrosyan A. // Universe. 2021. V. 7. P. 87. EDN: AZLEAS
90. Brown B.P., Vasil G.M., Zweibel E.G. // Astrophys. J. 2012. V. 756. P. 109.
91. Almgren A.S., Bell J.B., Nonaka A., Zingale M. // Computing Sci. Engineering. 2009. V. 11. P. 24. EDN: MMLHLV
92. Batchelor G.K. // Quarterly J. Royal Meteorological Soc. 1953. V. 79. P. 224.
93. Charney J.G., Ogura Y. // J. Meteorological Soc. Japan. Ser. II. 1960. V. 38. P. 19a.
94. Gough D.O. // J. Atmospheric Sci. 1969. V. 26. P. 448.
95. Bannon P.R. // J. Atmospheric Sci. 1996. V. 53. P. 3618.
96. Calkins M.A., Julien K., Marti P. // Proceed. Royal Soc. A: Mathematical, Phys. Engineering Sci. 2015. V. 471. P. 20140689.
97. Paolucci S. // NASA STI/Recon Technical Report N. 1982. V. 83. P. 26036.
98. Botta N., Klein R., Almgren A. Dry atmosphere asymptotics. Potsdam Inst. for Climate Impact Research, 1999.
99. Klein R. et al. // J. Engineering Mathemat. 2001. V. 39. P. 261.
100. Braginsky S.I., Roberts P.H. // Geophys. Astrophys. Fluid Dyn. 1995. V. 79. P. 1. EDN: XXYWDW
101. Glatzmaier G.A., Roberts P.H. // Physica D: Nonlinear Phenomena. 1996. V. 97. P. 81. EDN: ALUDZF
102. Olson P., Christensen U.R. // Earth Planetary Sci. Lett. 2006. V. 250. P. 561.
103. Jones C.A., Kuzanyan K.M., Mitchell R.H. // J. Fluid Mechanics. 2009. V. 634. P. 291. EDN: ZBXKCD
104. Gilman P.A., Glatzmaier G.A. // Astrophys. J. Supplement Ser. 1981. V. 45. P. 335.
105. Yadav R.K., Bloxham J. // Proceed. National Academy Sci. 2020. V. 117. P. 13991. EDN: ZLHJDU
106. Glatzmaier G.A. // J. Computational Phys. 1984. V. 55. P. 461.
107. Lantz S.R., Fan Y. // Astrophys. J. Supplement Ser. 1999. V. 121. P. 247.
108. Miesch M.S., Elliott J.R., Toomre J., Clune T.L., Glatzmaier G.A., Gilman P.A. // Astrophys. J. 2000. V. 532. P. 593.
109. Brun A.S., Miesch M.S., Toomre J. // Astrophys. J. 2004. V. 614. P. 1073.
110. Brown B.P., Browning M.K., Brun A.S., Miesch M.S., Toomre J. // Astrophys. J. 2008. V. 689. P. 1354.
111. Brown B.P., Miesch M.S., Browning M.K., Brun A.S., Toomre J. // Astrophys. J. 2011. V. 731. P. 69.
112. Smolarkiewicz P.K., Charbonneau P. // J. Computational Phys. 2013. V. 236. P. 608.
113. Fedotova M., Klimachkov D., Petrosyan A. // Monthly Notices Royal Astronom. Soc. 2022. V. 509. P. 314326.
114. Должанский Ф. Основы геофизической гидродинамики. Litres, 2018.
115. Showman A.P., Tan X., Parmentier V. // Space Sci. Rev. 2020. V. 216. P. 1. EDN: ZMSLRY
116. Онищенко О.Г., Похотелов О.А., Астафьева Н.М., Хортон В., Федун В.Н. // УФН. 2020. Т. 190. С. 732. EDN: ZACIUK
117. Zaqarashvili T.V., Albekioni M., Ballester J.L., Bekki Y., Biancofiore L., Birch A.C., Dikpati M., Gizon L., Gurgenashvili E., Heifetz E., Lanza A.F., McIntosh S. W., Ofman L., Oliver R., Proxauf B., Umurhan O.M., Yellin-Bergovoy R. // Space Sci. Rev. 2021. T. 217. C. 1. EDN: MTHKQX
118. Незлин М.В. Вихри Россби и спиральные структуры: Астрофизика и физика плазмы в опытах на мелкой воде. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990.
119. Raymond D.J. Physics 589 - Geophysical Fluid Dynamics. Wave modes of a resting atmosphere. Chapter 3: Sound, Inertia-Gravity Waves, and Lamb Waves // Physics Internal Website. http://kestrel.nmt.edu/raymond/classes/ph589/notes/ssmodes/ssmodes.pdf.
120. Goldstein J., Townsend R.H.D., Zweibel E.G. // Astrophys. J. 2019. V. 881. P. 66. EDN: PCBJXQ
121. Newell A.C. // J. Fluid Mechanics. 1969. V. 35. P. 255.
122. Ostrovsky L. Asymptotic perturbation theory of waves. World Scientific, 2014.
123. D. Craik Wave interactions and fluid flows. Cambridge: Univ. Press, 1988.
Выпуск
Другие статьи выпуска
Выполнены численные расчеты нестационарной неравновесной функции распределения электронов в газе метане CH4, возбуждаемом источником высокоэнергичных электронов с начальной энергией 1 кэВ. Были учтены основные элементарные процессы взаимодействия электронов с молекулами метана. Вычислены доли потерь энергии электронов на ионизацию, диссоциацию и возбуждение различных уровней молекул, позволяющие определять скорости неупругих процессов взаимодействия электронов с молекулами метана CH4.
Получены трехмерные распределения скорости, температуры и давления в сверхзвуковом воздушном потоке при M = 2, а также плотности тока в инициируемом в нем разряде. Газовый разряд постоянного тока величиной 10 А рассматривался в гидродинамическом приближении в рамках канальной модели. Рассмотрена эволюция продольно-поперечного разряда в диапазоне времени t до 20 мкс. Показано, что разряд движется практически со скоростью основного сверхзвукового воздушного потока, достаточно слабо его возмущая. По полученным в расчетах характерным значениям плотности тока и температуры газа 8000–10000 К в разрядном канале сделаны оценки концентрации электронов ne ~ 1016 см–3. Оценена напряженность поля E ~ 125 В/см и приведенная напряженность поля в канале разряда E/N около 30 Тд. В конфигурации аэродинамической модели с укороченными электродами показан переход к закрепленной на их концах фазе разряда.
Одной из актуальных задач атомной энергетики является переработка отработавшего ядерного топлива. Такая переработка подразумевает отделение актиноидов от продуктов деления урана. Одним из методов переработки может стать плазменная масс сепарация. В ОИВТ РАН в последние 10 лет активно велись исследования, направленные на развитие различных аспектов, связанных с плазменной масс-сепарацией. В статье приведен обзор основных результатов этих исследований по четырем направлениям: численные расчеты и анализ схем сепарации; генерация плазмы буферного газа и создание потенциала в ней; источник плазмы для инжекции смеси разделяемых веществ; сепарация модельных веществ.
Сообщается об обнаружении противоречия, возникающего в решениях задач о профилях нелинейных продольных электростатических волн в плазме методом псевдопотенциала Сагдеева. Противоречие проявляется в неравенстве среднего за период значения концентрации частиц и заданной концентрации невозмущенной плазмы. Показано, что причина возникновения противоречия связана с весьма распространенной неточностью в постановке таких задач. Предложено корректировать постановку подобных задач и изменить интерпретацию получаемых этим методом решений, применив иные начальные условия: необходимо задавать вместо концентрации невозмущенной плазмы концентрацию частиц в точках, в которых потенциал φ принят равным нулю. С такими начальными условиями противоречие полностью снимается.
Исследовано поддержание СВЧ газового разряда стоячей поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) дипольной моды. Стоячая волна формировалась между двумя плоскими зеркалами, образующими структуру типа открытого резонатора на поверхностной волне. Измеренная добротность открытого резонатора составляет несколько десятков. Определена структура электрического поля свободного разряда и разряда, поддерживаемого полем стоячей поверхностной волны. Показано, что в этой системе возбуждение резонанса происходит на чисто поверхностной волне. При возрастании энергии поля между зеркалами на 8–10 дБ, концентрация электронов возрастает на ~50%. Оценено отношение энергии поля поверхностной волны в плазме и в окружающем разряд пространстве, как в случае свободного разряда, так и при резонансе. Эксперимент и численное моделирование показали, что структура разряда зависит от возбуждаемой моды стоячей ПЭВ.
Издательство
- Издательство
- ИОФ РАН
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 119991 ГСП-1, г. Москва, ул. Вавилова, д. 38
- Юр. адрес
- 119991 ГСП-1, г. Москва, ул. Вавилова, д. 38
- ФИО
- Гарнов Сергей Владимирович (Директор)
- E-mail адрес
- office@gpi.ru
- Контактный телефон
- +7 (749) 9503873
- Сайт
- https://www.gpi.ru/