Влияние ионно-звуковых солитонов на функции распределения по энергиям для холодных ионов в двухкомпонентной плазме

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В рамках одномерной двухкомпонентной МГД-модели плазмы с горячими электронами и холодными ионами получено аналитическое выражение, описывающее функции распределения ионов по энергиям, возмущенные ионно-звуковыми солитонами. В расчетах использовалось как усреднение по ансамблю ионов, так и усреднение по времени для одного иона. Показано, что ионно-звуковые солитоны сильно влияют на функцию распределения ионов, отклоняя ее от начального равновесного состояния. При этом после прохождения солитона функция распределения возвращается в первоначальное состояние. С использованием уравнения Кортевега–де Вриза получена явная формула для описания возмущенной функции распределения, которую можно применять на практике. Рассмотрена практически важная ситуация распространения большого ансамбля солитонов разной амплитуды. Детально промоделированы случаи малого и большого временного разрешения при измерении функций распределения. Проведено сравнение полученных теоретических результатов с известными экспериментальными данными.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Ф. М. Трухачев

Объединенный институт высоких температур РАН

Author for correspondence.
Email: ftru@mail.ru
Russian Federation, г. Москва

М. М. Васильев

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: ftru@mail.ru
Russian Federation, г. Москва

О. Ф. Петров

Объединенный институт высоких температур РАН

Email: ftru@mail.ru
Russian Federation, г. Москва

М. М. Могилевский

Институт космических исследований РАН

Email: ftru@mail.ru
Russian Federation, г. Москва

Д. В. Чугунин

Институт космических исследований РАН

Email: ftru@mail.ru
Russian Federation, г. Москва

References

  1. Schmidt L.D. The Engineering of Chemical Reactions. 2nd ed. N.Y.: Oxford University Press, 2005.
  2. Herbst E. Chemistry of Star-Formi ng Regions // J. Phys. Chem. A. 2005. V. 109. № 18. P. 4017.
  3. Васильев М.М., Алексеевская А.А., Косс К.Г., Васильева Е.В., Пе тров О.Ф. Самоорганизация кластеров активных броуновских частиц в коллоидной плазме при воздействии лазерного излучения // ТВТ. 2023. Т. 61. № 6. C. 825.
  4. Petrov O.F., Statsenko K.B., Vasiliev M.М. Active Brownian Motion of Strongly Coupled Charged Gains Driven by Laser Radiation in Plasma // Sci. Rep. 2022. V. 12. P. 8618.
  5. Petrov O.F., Boltnev R.E., Vasiliev M.M. Experimental Evolution of Active Brownian Grains Driven by Quantum Effects in Superfluid Helium // Sci. Rep. 2022. V. 12. P. 6085.
  6. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.
  7. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко Н.А. Высокочастотный емкостной разряд. М.: Наука, 1995.
  8. Велихов Е.П., Ковалев А.С., Рахимов А.Т. Физические явления в газоразрядной плазме. М.: Наука, 1987.
  9. Landau L. On the Vibrations of the Electronic Plasma // J. Phys. (USSR). 1946. V. 10. P. 25.
  10. Wang C., Wu C., Yoon P. Heating of Ions by Alfv é n Waves Via Nonresonant Interactions // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 96. P. 125001.
  11. Singh N., Khazanov G., Mukhter A. Electrostatic Wave Generation and Transverse Ion Acceleration by Alfv é nic Wave Components of Broadband Extremely Low Frequency Turbulence // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2007. V.112. A06210. https://doi.org/10.1029/2006JA011933
  12. Alberti S. Plasma Heating with Millimetre Waves // Nat. Phys. 2007. V. 3. P. 376.
  13. Esarey E., Schroeder C., Leemans W. Physics of Laser-driven Plasma-based Electron Accelerators // Rev. Mod. Phys. 2009. V. 81. P. 1229.
  14. Dong C., Singh N. Ion Pseudoheating by Low-frequency Alfv é n Waves Revisited // Phys. Plasmas. 2013. V. 20. P. 012121.
  15. Escande D., Gondret V., Sattin F. Relevant Heating of the Quiet Solar Corona by Alfv é n Waves: a Result of Adiabaticity Breakdown // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 14274.
  16. Seo J., Na Y.-S., Hahm T. Ion Heating by Nonlinear Landau Damping of High-n Toroidal Alfv é n Eigenmodes in ITER // Nucl. Fusion. 2021. V. 61. P. 096022.
  17. Shutte N., Prutensky I., Pulinets S., Klos Z., Rothka-ehl H. The Charged-particle Fluxes at Auroral and Polar Latitudes and Related Low-frequency Auroral Kilo Met ric Radiation-type and High-frequency Wideband Emission // J. Geophys. Res. 1997. V. 102. P. 2105.
  18. Sauvaud J.A., Barthe H., Aoustin C., Thocaven J.J., Rouzaud J. et al. The Ion Experiment Onboard the Interball-Aurora Satellite; Initial Results on Velocity-dispersed Structures in the Cleft and Inside the Auroral Oval // Ann. Geophys. Europ. Geosci. Union. 1998. V. 16. № 9. P. 1056.
  19. Strangeway R.J., Kepko L., El phic R. C. et al. FAST Observations of VLF Waves in the Auroral Zone: Eviden ce of Very Low Plasma Densities // Geophys. Res. Lett. 1998. V. 25. P. 2065.
  20. Pottelette R., Ergun R.E., Treumann R.A., Berthornier M., Ca rlson C.W., McFadden J.P., Roth I. Modulated Electronsacoustic Waves in Auroral Density Cavities’ FAST Observations // Geophys. Res. Lett. 1 999. V. 26. № 16. Р. 2629.
  21. Backrud-Ivgren M., Stenberg G., Andr é M. et al. Cluster Observations and Theoretical Identification of Broadband Waves in the Auroral Region // Ann. Geophys. 2005. V. 23. № 12. P. 3739.
  22. De Keyser J., Maggiolo R., Echim M., Dandouras I. Wave Signatures and Electrostatic Phenomena Above Aurora: Cluster Observations and Mo-deling // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. A06224. doi: 10.1029/2010JA016004.
  23. Kamaletdinov S.R., Hutchinson I.H., Vasko I.Y., Artem yev A.V., Lotekar A., Mozer F. Spacecraft Observations and Theoretical Under standing of Slow Electron Holes // Phys. Rev. Lett. 2021. V. 127. P. 165101.
  24. Wang R., Vasko I.Y., Artemyev A.V., Holley L.C., Kamaletdinov S.R., Lotekar A., Mozer F.S. Multisatellite Observations of Ion Holes in the Earth’s Plasma Sheet // Geophys. Res. Lett. 2022. V. 49. № 8. e2022GL097919.
  25. Kamaletdinov S.R., Vasko I.Y., Wang R., Artemyev A.V., Yushkov E.V., Mozer F.S. Slow Electron Holes in the Earth’s Bow Shock // Phys. Plasmas. 2022. V. 29. P. 092303.
  26. Dong Y., Yuan Z., Huang S., Xue Z., Yu X., Pollock C.J., Torbert R.B., Burch J.L. Observational Evidence of Accelerating Electron Holes and Their Effects on Passing Ions // Nat. Commun. 2023. V. 14. P. 7276.
  27. Shaikh Z.I., Vasko I.Y., Hutchinson I.H., Kamaletdinov S.R., Holmes J.C., Newman D.L., Mozer F.S. Slow Electron Holes in the Earth’s Magnetosheath // J. Geophys. Res.: Space Phys. 2024. V. 129. e2023JA032059.
  28. Lakhina G.S., Singh S., Rubia R., Devanandhan S. Electrostatic Solitary Structures in Space Plasmas: Soliton Perspective // Plasma. 2021. V. 4. P. 681.
  29. Трухачев Ф.М., Томов А.В. Электрические токи в плазме, индуцированные солитонами // Космические исследования. 2016. Т. 54. № 5. С. 377.
  30. Трухачев Ф.М., Васильев М.М., Петров О.Ф. Солитонные токи (обзор) // ТВТ. 2020. T. 58. № 4. C. 563.
  31. Dubinov A.E., Lebedeva X.I. Ambiplasma Separation into Matter and Antimatter by a Train of Baryon-acoustic Solitons in the Problem of the Baryon Asymmetry of the Universe // Chaos, Solitons Fractals. 2021. V. 152. P. 111391.
  32. Trukhachev F.M., Gerasimenko N.V., Vasiliev M.M., Petrov O.F. Unidirectional Transport of Ions and Perturbation of Plasma Distribution Functions by Ion-acoustic Solitons: Numerical Simulation and Analytical Solution // Phys. Plasmas. 2023. V. 30. № 2. P. 022113.
  33. Trukhachev F.M., Gerasimenko N.V., Vasiliev M.M., Petrov O.F. Matter Transport as Fundamental Property of Acoustic Solitons in Plasma // Phys. Plasmas. 2023. V. 30. P. 112302.
  34. Яковлев В.Ф. Курс физики. Теплота и молекулярная физика. М.: Просвещение, 1976. 320 с.
  35. Алешин И.М., Перегудов Д.В. Некоторые новые свойства сильно нелинейного ионного звука // Вестник Моск. ун-та. Сер. 3. Физика. Астрономия. 2000. № 1. С. 8.
  36. Трухачев Ф.М., Васильев М.М., Петров О.Ф. Влияние ионно-звуковых солитонов на функции распределения фоновой плазмы // Физика плазмы. 2022. T. 48. № 10. С. 967.
  37. Трухачев Ф.М., Герасименко Н.В., Васильев М.М., Петров О.Ф. Возмущенная ионно-звуковыми солитонами функция распределения по скоростям ионов плазмы: аналитический расчет на базе КдВ-уравнения // Физика плазмы. 2023. Т. 49. № 10. С. 975.
  38. Трухачев Ф.М., Герасименко Н.В., Васильев М.М., Петров О.Ф. Особенности функций распределения по скоростям и энергиям для пылевой фракции в присутствии пыле-акустического солитона // Вестник ОИВТ РАН. 2022. Т. 7. С.15.
  39. Washimi H., Taniuti T. Propagation of Ion-Acoustic Solitary Waves of Small Amplitude // Phys. Rev. Lett. 1966. V. 17. P. 996.
  40. Вопросы теории плазмы. Сб. ст. Вып. 4 / Под ред. Леонтовича М.А. М.: Атомиздат, 1967. 342 с.
  41. Теория вероятностей и математическая статистика. Учеб. пособ. / Под общ. ред. Трофимовой Е.А. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2018. 160 с.
  42. Pickett J.S., Kahler S.W., Chen L.-J. et.al. Solitary Waves Observed in the Auroral Zone: the Cluster Multi-spacecraft Perspective // Nonlinear Processes in Geophysics. 2004. V. 11. P. 183.
  43. Matsumoto H., Kojima H., Miyatake T., Omura Y., Okada M., Nagano I., Tsutsui M. Electrostatic Solitary Waves (ESW) in the Magnetotail: BEN Wave Forms Observed by GEOTAIL // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21. P. 2915.
  44. Bounds S., Pfaff R., Knowlton S., Mozer F., Temerin M., Kletzing C. Solitary Potential Structures Associated with Ion and Electron Beams near 1 R E // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. P. 28709.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Profiles of the ion-acoustic soliton for the Mach number M = 1.05 (a) and 1.2 (b): the dash-dotted curve is the KdV method (6), the solid line is the pseudopotential method (7).

Download (17KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Phases of the interaction process of the soliton with the ion ensemble (a); (b)–(d) are the kinetic energy of the ions of the ensemble at times t = 0, 50, and 100, respectively, the black and white dots correspond to the dark and light regions and indicate belonging to the corresponding intervals of ∆Wi; (d)–(g) is the discrete distribution function of the ions of the ensemble by energy in accordance with (9).

Download (47KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Perturbed ion kinetic energy distribution functions for different Mach numbers M obtained by ensemble averaging fN(Wi) (symbols) according to (9) and time averaging ft(Wi) (solid curves) according to (11); ensemble parameters: N = 103, ∆x = 0.04, ∆Wi = 4×10–3 for M = 1.2; inset – perturbed velocity distribution functions fN(υi) obtained in accordance with models [32, 36].

Download (29KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Kinetic energy as a function of time for a test ion interacting with a soliton for different values of M.

Download (11KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Simulation of a group of 100 solitons of different amplitudes: (a) – potential and electric field; (b) – perturbed ion velocity distribution function in the plasma region containing the first ten solitons; (c) – the corresponding perturbed ion energy distribution function.

Download (78KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Simulation of a group of 100 solitons: (a) – electric field profiles; (b), (c) – velocity and energy distribution functions fN(υi), fN(Wi), calculated for the cases of low and high time resolution, respectively.

Download (38KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».