Проявления аномальной диссипации в пылевой плазме в Солнечной системе: безатмосферные космические тела

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Одной из основных особенностей, отличающих пылевую плазму от обычной (не содержащей заряженных пылевых частиц) плазмы, является аномальная диссипация, связанная с процессом зарядки пылевых частиц, приводящая к новым физическим явлениям, эффектам и механизмам. Рассматривается процесс аномальной диссипации в контексте описания динамики пылевых частиц в пылевой плазме безатмосферных тел Солнечной системы. Представлено описание колебаний пылевой частицы над поверхностями Меркурия, Луны, спутников Марса Фобоса и Деймоса. Затухание этих колебаний определяется частотой зарядки пылевых частиц, характеризующей аномальную диссипацию. Обсуждается возможность использования подхода, учитывающего аномальную диссипацию, для описания плазменно-пылевых процессов в окрестности комет. Показано, что аномальная диссипация играет существенную роль для определения возможности применения модели левитирующих пылевых частиц при описании пылевой плазмы над поверхностями безатмосферных тел Солнечной системы. Приведены результаты численных расчетов, подтверждающие возможность применения данной модели для ряда безатмосферных космических тел.

Full Text

Restricted Access

About the authors

С. И. Попель

Институт космических исследований РАН

Author for correspondence.
Email: popel@iki.rssi.ru
Russian Federation, Москва

Л. М. Зеленый

Институт космических исследований РАН

Email: popel@iki.rssi.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Альвен Х., Аррениус Г. Эволюция Солнечной системы. М.: Мир, 1979. 512 с.
  2. Богатиков О.А. Неорганические наночастицы в природе // Вестн. РАН. 2003. Т. 73. № 5. С. 426–428.
  3. Голубь А.П., Попель С.И. Нестационарные процессы при формировании пылевой плазмы у поверхности Фобоса // Письма в ЖЭТФ. 2021а. Т. 113. № 7. С. 440–445.
  4. Голубь А.П., Попель С.И. Нестационарные процессы при формировании пылевой плазмы у поверхности спутника Марса – Деймоса // Физика плазмы. 2021б. Т. 47. № 8. С. 741–747.
  5. Зеленый Л.М., Попель С.И., Захаров А.В. Пылевая плазма на Луне. Проблемы моделирования и измерений // Физика плазмы. 2020. Т. 46. № 5. С. 441–455.
  6. Зеленый Л.М., Захаров А.В., Попель С.И., Кузнецов И.А., Розенфельд Е.В. Физические процессы формирования и особенности плазменно-пылевой экзосферы Луны // УФН. 2024. Т. 194. № 6. С. 569–599.
  7. Колесников Е.К., Мануйлов А.С. Расчет напряженности электростатического поля над поверхностью Луны, покрытой монослоем водорода // Астрон. журн. 1982. Т. 59. № 5. С. 996–998.
  8. Лосева Т.В., Попель С.И., Голубь А.П. Пылевые ионно-звуковые ударные волны в лабораторной, ионосферной и астрофизической плазме // Физика плазмы. 2020. Т. 46. № 11. С. 1007–1025.
  9. Нефедов А.П., Петров О.Ф., Фортов В.Е. Кристаллические структуры в плазме с сильным взаимодействием макрочастиц // УФН. 1997. Т. 167. № 11. С. 1215–1226.
  10. Попель С.И., Голубь А.П., Лосева Т.В. Пылевые ионно-звуковые ударно-волновые структуры: теория и лабораторные эксперименты // Письма в ЖЭТФ. 2001. Т. 74. № 7. С. 396–401.
  11. Попель С.И. Лекции по физике пылевой плазмы. М.: МФТИ, 2012. 160 с.
  12. Попель С.И., Копнин С.И., Голубь А.П., Дольников Г.Г., Захаров А.В., Зеленый Л.М., Извекова Ю.Н. Пылевая плазма у поверхности Луны // Астрон. вестн. 2013. Т. 47. № 6. С. 455–466. (Popel S.I., Kopnin S.I., Golub' A.P., Dol'nikov G.G., Zakharov A.V., Zelenyi L.M., Izvekova Yu.N. Dusty plasma at the surface of the Moon // Sol. Syst. Res. 2013. V. 47. № 6. P. 419–429).
  13. Попель С.И., Голубь А.П., Извекова Ю.Н., Афонин В.В., Дольников Г.Г., Захаров А.В., Зеленый Л.М., Лисин Е.А., Петров О.Ф. К вопросу о распределениях фотоэлектронов над освещенной частью Луны // Письма в ЖЭТФ. 2014. Т. 99. № 3. С. 131–137.
  14. Попель С.И. Пыль и пылевая плазма в Солнечной системе // Природа. 2015. № 9. С. 48–56.
  15. Попель С.И., Голубь А.П. К вопросу об аномальной диссипации в плазме запыленной экзосферы Луны // Письма в ЖЭТФ. 2022. Т. 115. № 10. С. 629–635.
  16. Попель С.И. Проявления аномальной диссипации в плазменно-пылевых системах // Физика плазмы. 2023. Т. 49. № 1. С. 48–56.
  17. Попель С.И., Зеленый Л.М., Захаров А.В. Пылевая плазма в Солнечной системе: безатмосферные космические тела // Физика плазмы. 2023. Т. 49. № 8. С. 813–820.
  18. Фортов В.Е., Храпак А.Г., Храпак С.А., Молотков В.И., Петров О.Ф. Пылевая плазма // УФН. 2004. Т. 174. № 5. С. 495–544.
  19. Фортов В.Е., Батурин Ю.М., Морфилл Г.О., Петров О.Ф. Плазменный кристалл, Космические эксперименты. М.: Физматлит, 2015. 272 с.
  20. Хабарова О.В. Частное сообщение (2022).
  21. Цытович В.Н. Плазменно-пылевые кристаллы, капли и облака // УФН. 1997. Т. 167. № 1. С. 57.
  22. Цытович В.Н., Винтер Дж. Пыль в установках управляемого термоядерного синтеза // УФН. 1998. Т. 168. № 8. С. 899–907.
  23. Benkadda S., Tsytovich V.N. Modulational instability in dusty plasmas // Phys. Plasmas. 1995. V. 2. № 8. P. 2970–2974.
  24. Benkhoff J., Murakami G., Baumjohann W., Besse S., Bunce E., Casale M., Cremosese G., Glassmeier K.-H., Hayakawa H., Heyner D., and 21 co-authors. BepiColombo – mission overview and science goals // Space Sci. Rev. 2021. V. 217. № 8. P. 90.
  25. Bouchoule A. (ed.) Dusty plasmas: physics, chemistry and technological impacts in plasma processing. New York: John Wiley and Sons Inc., 1999. 408 p.
  26. Brownlee D.E. The Stardust comet mission: Studying sediments from the Solar System's frozen attic // Elements. 2012. V. 8. № 5. P. 327–328.
  27. Colwell J.E., Robertson S.R., Horányi M., Wang X., Poppe A., Wheeler P. Lunar dust levitation // J. Aerospace Eng. 2009. V. 22. P. 2–9.
  28. Divine N., Fechtig H., Gombosi T.I., Hanner M.S., Keller H., Larson S., Mendis D., Newburn R., Reinhard R., Sekanina Z., Yeomans D. The comet Halley dust and gas environment // Space Sci. Rev. 1986. V. 43. № 1. P. 1–104.
  29. Fortov V.E., Ivlev A.V., Khrapak S.A., Khrapak A.G., Morfill G.E. Complex (dusty) plasmas: Current status, open issues, perspectives // Phys. Reports. 2005. V. 421. № 1–2. P. 1–103.
  30. González-Esparza A. Interplanetary shocks and solar wind structure approaching solar maximum: Helios, IMP-8 and Voyager observations // Space Sci. Rev. 2001. V. 97. P. 197–200.
  31. Grard R.J.L., Tunaley J.K.E. Photoelectron sheath near a planetary probe in interplanetary space // J. Geophys. Res. 1971. V. 76. P. 2498–2505.
  32. Grün E., Jessberger E. Dust, Physics and Chemistry of Comets. Berlin: Springer, 1990. P. 113–176.
  33. Grün E., Gustafson B.A.S., Dermott S., Fechtig H. (eds). Interplanetary Dust. Berlin-Heidelberg-New York: Springer-Verlag, 2001. 834 p.
  34. Hiremath K.M. Magnetic field structure of Mercury // Planet. and Space Sci. 2012. V. 63–64. P. 8–14.
  35. Horányi M., Sternovsky Z., Lankton M., Dumont C., Gagnard S., Gathright D., Grün E., Hansen D., James D., Kempf S., and 4 co-authors. The lunar dust experiment (LDEX) onboard the lunar atmosphere and dust environment explorer (LADEE) mission // Space Sci. Rev. 2014. V. 185. № 1–4. P. 93–113.
  36. Knight M.M., Kokotanekova R., Samarasinha N.H. Physical and Surface Properties of Comet Nuclei from Remote Observations // arXiv:2304.09309 [astro-ph.EP]. 2023. https://doi.org/10.48550/arXiv.2304.09309
  37. Li D., Wang Y., Zhang H., Zhuang J., Wang X., Wang Y., Yang S., Sun Z., Wang X., Chen L., and 13 co-authors. In-situ measurements of lunar dust at the Chang'E-3 landing site in the northern Mare Imbrium // J. Geophys. Res.: Planets. 2019. V. 124. № 8. P. 2168–2177.
  38. Losseva T.V., Golub' A.P., Kosarev I.B., Popel S.I., Nemtchinov I.V. Physical and Gasdynamical Processes Caused by Cometary Impacts onto the Sun // Proc. Conf. Asteroids, Comets, Meteors – ACM2002, European Space Agency, 2002. P. 873–876.
  39. Mann I., Krivov A., Kimura H. Dust cloud near the Sun // Icarus. 2000. V. 146. № 2. P. 568–582.
  40. Mazets E.P., Sagdeev R.Z., Aptekar R.L., Golenetskii S.V., Guryan Y.A., Dyatchkov A.V., Ilyinskii V.N., Panov V.N., Petrov G.G., Savvin A.V., and 5 co-authors. Dust in comet P/Halley from Vega observations // Astron. and Astrophys. 1987. V. 187. P. 699–706.
  41. Merlino R.L., Goree J.A. Dusty plasmas in the laboratory, industry, and space // Phys. Today. 2004. V. 57. № 7. P. 32–39.
  42. Mishra S.K., Bhardwaj A. Photoelectron sheath on lunar sunlit regolith and dust levitation // Astrophys. J. 2019. V. 884. № 1. P. 5.
  43. Ostrikov K. Reactive plasmas as a versatile nanofabrication tool // Rev. Mod. Phys. 2005. V. 77. № 2. P. 489–511.
  44. Popel S.I., Yu M.Y., Tsytovich V.N. Shock waves in plasmas containing variable-charge impurities // Phys. Plasmas. 1996. V. 3. № 12. P. 4313–4315.
  45. Popel S.I., Golub' A.P., Losseva T.V., Ivlev A.V., Khrapak S.A., Morfill G. Weakly-dissipative dust-ion-acoustic solitons // Phys. Rev. E. 2003. V. 67. № 5. id. 056402.
  46. Popel S.I., Morfill G.E. Nonlinear wave structures in complex plasmas: Theory and experiments // Ukr. J. Phys. 2005. V. 50. № 2. P. 161–170.
  47. Popel S.I., Gisko A.A. Charged dust and shock phenomena in the Solar System // Nonlin. Proc. in Geophys. 2006. V. 13. P. 223–229.
  48. Popel S.I., Kopnin S.I., Yu M.Y., Ma J.X., Huang F. The effect of microscopic charged particulates in space weather // J. Phys. D: Applied Phys. 2011. V. 44. id. 174036.
  49. Popel S.I., Golub' A.P., Zelenyi L.M., Dubinskii A. Yu. Lunar dust and dusty plasmas: Recent developments, advances, and unsolved problems // Planet. and Space Sci. 2018. V. 156. P. 71–84.
  50. Popel S.I., Golub' A.P., Kassem A.I., Zelenyi L.M. Dust dynamics in the lunar dusty plasmas: Effects of magnetic fields and dust charge variations // Phys. Plasmas. 2022. V. 29. № 1. id. 013701.
  51. Popel S.I., Golub' A.P., Zelenyi L.M. Dusty plasmas above the sunlit surface of Mercury // Phys. Plasmas. 2023. V. 30. № 4. id. 043701.
  52. Rennilson J.J., Criswell D.R. Surveyor observations of lunar horizon-glow // The Moon. 1974. V. 10. P. 121–142.
  53. Rickman H. Composition and physical properties of comets // Solar System Ices / Eds: Schmitt B., de Bergh C., Festou M. Dordrecht: Kluwer, 1998. P. 395–417.
  54. Shukla P.K., Mamun A.A. Introduction to dusty plasmas physics. Bristol: IOP Publishing, 2002. 265 p.
  55. Thomas P. Surface features of Phobos and Deimos // Icarus. 1979. V. 40. P. 223–243.
  56. Thomas P., Veverka J. Downslope movement of material on Deimos // Icarus. 1980. V. 42. P. 234–250.
  57. Tsytovich V.N., Havnes O. Charging processes, dispersion properties and anomalous transport in dusty plasmas // Comm. Plasma Phys. Contr. Fusion. 1993. V. 15. P. 267–290.
  58. Tsytovich V.N. One-dimensional self-organised structures in dusty plasmas // Austral. J. Phys. 1998. V. 51. № 5. P. 763–834.
  59. Tsytovich V.N., Morfill G.E., Vladimirov S.V., Thomas H. Elementary physics of complex plasmas. Berlin: Springer-Verlag, 2008. 370 p.
  60. Vaisberg O.L., Smirnov V., Omelchenko A., Gorn L., Iovlev M. Spatial and mass distribution of low-mass dust particles (m < 10–10 g) in comet P/Halley's coma // Astron. and Astrophys. 1987. V. 187. P. 753–760.
  61. Vladimirov S.V., Ostrikov K. Dynamic self-organization phenomena in complex ionized gas systems: New paradigms and technological aspects // Phys. Rep. 2004. V. 393. № 3–6. P. 175–380.
  62. Vladimirov S.V., Ostrikov K., Samarian A.A. Physics andapplications of complex plasmas. London: Imperial College Press, 2005. 500 p.
  63. Zakharov A., Horányi M., Lee P., Witasse O., Cipriani F. Dust at the Martian moons and in the circummartian space // Planet. and Space Sci. 2014. V. 102. P. 171–175.
  64. Zhang H.Y., Wang Y., Chen L.P., Zhang H., Li C.H., Zhuang J.H., Li D.T., Wang Y.J., Yang S.S., Li X.Y., Wang W.D. In-situ lunar dust deposition amount induced by lander landing in Chang’E-3 mission // Sci. China Tech. Sci. 2020. V. 63. P. 520–527.
  65. Zook H., McCoy J. Large scale lunar horizon glow and a high-altitude lunar dust exosphere // Geophys. Res. Lett. 1991. V. 18. № 11. P. 2117–2120.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Dependences of the height of a dust particle of radius a=0.105 µm with a variable charge on time, hd(t), characterizing the trajectory of its movement at θ = 87°: (a) – calculated based on the solution of the system of equations (1)–(2); (b) – calculated based on the solution of equation (15).

Download (153KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dependences on the radius a of a dust particle of time td0 and the value 2 / νq.

Download (72KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence on the radius a of a dust particle of the ratio of the solar wind electron current Ie (qd) to the photoelectron current from the lunar surface Ie, ph (qd), calculated for the equilibrium charges of dust particles.

Download (55KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependences of the charge number Zd of a dust particle, the height h0 of its equilibrium above the surface of Mercury, and the time 2 / νq (a): (a) – on the size of the dust particle a; (b) – the height h of the location of the dust particle of radius a = 0.20 μm on time. The dependencies were determined for the conditions of aphelion and a section of the surface of Mercury not very close to its magnetic poles, at θ = 87°.

Download (178KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependences of the charge number Zd of a dust particle, the height h0 of its equilibrium above the surface of Mercury, and the time 2 / νq (a): (a) – on the size of the dust particle a; (b) – the height h of the location of the dust particle of radius a = 0.30 μm on time. The dependencies were determined for the conditions of perihelion and a section of the surface of Mercury not very close to its magnetic poles, at θ = 87°.

Download (229KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependences of the charge number Zd of a dust particle, the height h0 of its equilibrium above the surface of Mercury, and the time 2 / νq (a): (a) – on the size of the dust particle a; (b) – the height h of the location of the dust particle of radius a = 0.18 μm on time. The dependencies were determined for the conditions of aphelion and the area of ​​the surface of Mercury located near the magnetic poles, at θ = 87°.

Download (213KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependences of the charge number Zd of a dust particle, the height h0 of its equilibrium above the surface of Mercury, and time 2 / νq (a): (a) – on the size of the dust particle a; (b) – the height h of the location of the dust particle of radius a = 0.30 μm on time. The dependencies were determined for the conditions of perihelion and the area of ​​the surface of Mercury located near the magnetic poles, at θ = 87°.

Download (199KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Oscillations of the parameters characterizing the trajectory of a dust particle of radius a = 1.445 µm with a changing charge over the surface of Phobos at θ = 87°: ascent height hd, velocity ud, charge number Zd.

Download (188KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. The same as in Fig. 8, but for a dust particle of radius a = 1.445 µm with a constant charge.

Download (191KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Oscillations of the parameters characterizing the trajectory of a dust particle of radius a = 1.768 µm with a changing charge over the surface of Deimos at θ = 87°: ascent height hd, velocity ud, charge number Zd.

Download (181KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. The same as in Fig. 10, but for a dust particle of radius a = 1.768 µm with a constant charge.

Download (175KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. Dependence of the characteristic time td0 of damping of dust particle oscillations on its radius at θ = 87° for Phobos.

Download (62KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. Dependence of the characteristic time td0 of damping of dust particle oscillations on its radius at θ = 87° for Deimos.

Download (65KB)
Indexing metadata
15. Fig. 14. Dependences of the ratio on r. Lines I and II correspond to concentrations of microscale dust at the comet nucleus of 103 cm–3 and 1011 cm–3. The concentration values ​​on the left (right) vertical axis correspond to curve I (II).

Download (96KB)
Indexing metadata
16. Fig. 15. Profiles of the solar wind ion concentration niSW and electrostatic potential φ in the bow shock. The spatial variable r is expressed in units of the electron Debye radius λDe.

Download (72KB)
Indexing metadata
17. Fig. 16. Dependences of the charge number of a dust particle Zd, its size a, the electric field strength above the comet’s surface E, and the ratio of the electrostatic force FE to the force Ffg from the gas flow acting on the dust particle, depending on the height h above the comet’s surface, obtained at θ = 87° (a), 77o (b) and 0o (c) within the framework of the stationary model.

Download (185KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 The 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».