Asymptotic and numerical study to the damped Schamel equation

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Analytical and numerical solutions of the damped Schamel equation, describing the dynamics of ion-acoustic waves in magnetized plasma, are presented. A small parameter is introduced in the equation before the dissipative term, ensuring that in its absence the solution reduces to a solitary wave (soliton). The asymptotic method employed for solving the equation is a variant of the Krylov-Bogolyubov-Mitropolsky multiple-scale technique. In the first-order approximation, the solution is described by a traveling solitary wave with slowly varying parameters. The second-order approximation yields the evolution laws for the soliton’s amplitude and phase as functions of «slow» time. Additionally, exact integral conservation laws (mass and energy of the wave field), derived directly from the original damped Schamel equation, are utilized. These integrals allow estimating the soliton’s radiative losses, particularly the mass of the so-called tail formed behind the soliton due to dissipation. Direct numerical solutions of the original equation, obtained via a pseudospectral method, confirm the asymptotic laws governing the soliton’s amplitude decay caused by dissipation. Another limiting case - strong dissipation (dominant over nonlinearity and dispersion), is also investigated, demonstrating that the soliton decays as a linear impulse, which is validated numerically.

About the authors

Marcelo Marcelo V. Flamarion, Efim N. Pelinovsky, Tatiana G. Talipova

Pontificia Universidad Cat´olica del Peru

Email: mvellosoflamarionvasconcellos@pucp.edu.pe
ORCID iD: 0000-0001-5637-7454

Ph.D. (Mathematics), Professor, Departamento Ciencias– Seccio´n Matema´ticas

Peru, Av. Universitaria 1801, San Miguel 15088, Lima, Peru

Efim N. Pelinovsky

Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics, Higher School of Economics

Email: pelinovsky@ipfran.ru
ORCID iD: 0000-0002-5092-0302

D. Sc. (Phys. and Math.), Chief Researcher, Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics

Professor, High School of Economics University

Russian Federation, 46 Uljanov Street, Nizhny Novgorod, 603120 Russian Federation 25 Bolshaya Pechorskaya Str., Nizhny Novgorod, 603120 Russian Federation

Tatiana G. Talipova

Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics

Author for correspondence.
Email: tgtalipova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1967-4174

D. Sc. (Phys. and Math.), Leading Researcher, Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics

Russian Federation, 46 Uljanov Street, Nizhny Novgorod, 603120 Russian Federation

References

  1. Schamel H. Stationary solitary, snoidal, and sinusoidal ion acoustic waves. Physics of Plasmas. 1972. Vol. 14. P. 905–924.
  2. Schamel H. A modified Korteweg-de Vries equation for ion acoustic waves due to resonant electrons. Journal of Plasma Physics. 1973. Vol. 9. P. 377–387. doi: 10.1017/S002237780000756X
  3. Ali R., Saha A., Chatterjee P. Analytical electron acoustic solitary wave solution for the forced KdV equation in superthermal plasmas. Physics of Plasma. 2017. Vol. 9. doi: 10.1063/1.4994562
  4. Chowdhury S., Mandi L., Chatterjee P. Effect of externally applied periodic force on ion acoustic waves in superthermal plasmas. Physics of Plasmas. 2018. Vol. 25. doi: 10.1063/1.5017559
  5. Mushtaq A., Shah H. A. Study of non-Maxwellian trapped electrons by using generalized (r,q) distribution function and their effects on the dynamics of ion acoustic solitary waves Physics of Plasmas. 2006. Vol. 13. doi: 10.1063/1.2154639
  6. Williams G., Verheest F., Hellberg M. A., Anowar M. G. M., Kourakis I. A. Schamel equation for ion acoustic waves in superthermal plasmas. Physics of Plasmas. 2014. Vol. 21. doi: 10.1063/1.4894115
  7. Saha A., Chatterjee P. Qualitative structures of electron-acoustic waves in an unmagnetized plasma with q-nonextensive hot electrons. The European Physical Journal Plus. 2015. Vol. 130. doi: 10.1140/epjp/i2015-15222-2
  8. Saha A., Chatterjee P. Solitonic, periodic, quasiperiodic, and chaotic structures of dust ion acoustic waves in nonextensive dusty plasmas. The European Physical Journal D. 2015. Vol. 69. doi: 10.1140/epjd/e2015-60115-7
  9. Zemlyanukhin A. I., Andrianov I. V., Bochkarev A. V., Mogilevich L. I. The generalized Schamel equation in nonlinear wave dynamics of cylindrical shells. Nonlinear Dynamics. 2019. Vol. 98. P. 185–194. doi: 10.1007/s11071-019-05181-5
  10. Ruderman M., Pelinovsky E., Talipova T. Dynamics of modulationally unstable ionacoustic wavepackets in plasmas with negative ions. Journal of Plasma Physics. 2008. Vol. 74. P. 639–656. doi: 10.1017/S0022377808007150
  11. Ruderman M. S., Petrukhin N. S., Pelinovsky E., Kataeva L. Y. Quasi-parallel propagating solitons in magnetised relativistic electron-positron plasmas. Journal of Plasma Physics. 2023. Vol. 89. doi: 10.1017/S0022377823000156
  12. Flamarion M. V., Pelinovsky E., Didenkulova E. Investigating overtaking collisions of solitary waves in the Schamel equation Chaos, Solitons and Fractals. 2023. Vol. 174. doi: 10.13140/RG.2.2.27768.62729
  13. Didenkulova E., Pelinovsky E., Flamarion M. V. Bipolar solitary wave interactions within the Schamel Equation. Mathematics. 2023. Vol. 11. doi: 10.13140/RG.2.2.28055.55204
  14. Flamarion M. V., Pelinovsky E., Didenkulova E. Non-integrable soliton gas: The Schamel equation framework. Chaos, Solitons and Fractals. 2024. Vol. 180. doi: 10.13140/RG.2.2.35906.15043
  15. Flamarion M. V., Pelinovsky E. Interactions of solitons with an external force field: Exploring the Schamel equation framework. Chaos, Solitons and Fractals. 2023. Vol. 174. doi: 10.13140/RG.2.2.20039.98726
  16. Shan A. S. Dissipative electron-acoustic solitons in a cold electron beam plasma with superthermal trapped electrons. Astrophysics and Space Science. 2019. Vol. 364. doi: 10.1007/s10509-019-3524-1
  17. Sultana S., Kourakis I. Dissipative ion-acoustic solitary waves in magnetised kappa -
  18. distributed non-Maxwellian plasmas. Physics. 2022. Vol. 4. P. 68–79. doi: 10.3390/physics4010007
  19. Grimshaw R. Internal solitary waves. Environmental Stratified Flows. 2001. P. 1–27.
  20. Grimshaw R., Pelinovsky E., Talipova T. Damping of large-amplitude solitary waves. Wave Motion. 2003. Vol. 37. P. 351–364. doi: 10.1016/S0165-2125(02)00093-8
  21. Grimshaw R. H., Smyth N. F., Stepanyants Y. A. Decay of Benjamin-Ono solitons under the influence of dissipation. Wave Motion. 2018. Vol. 78. P. 98–115. doi: 10.1016/J.WAVEMOTI.2018.01.005
  22. Maslov V. P., Omelyanov G. A. Asymptotic soliton-form solutions of equations with small dispersion. Russian Mathematical Surveys. 1981. Vol. 36. P. 73–149. doi: 10.1070/RM1981v036n03ABEH004248
  23. Ostrovsky L. Asymptotic Perturbation Theory of Waves. London: Imperial College Press, 2015. 320 p.
  24. Ostrovsky L., Pelinovsky E., Shrira V., Stepanyants Y. Localized wave structures: Solitons and beyond. Chaos. 2024. Vol. 34. doi: 10.1063/5.0210903
  25. Trefethen L. N. Spectral Methods in MATLAB. SIAM, Philadelphia, 2000. 160 p.
  26. Flamarion M. V. Generation of trapped depression solitary waves in gravity-capillary flows over an obstacle Computational and Applied Mathematics. 2022. Vol. 41. doi: 10.1007/s40314-021-01734-w
  27. Flamarion M. V., Ribeiro-Jr R. Solitary water wave interactions for the forced Korteweg–de Vries equation. Computational and Applied Mathematics. 2021. Vol. 40. doi: 10.1007/s40314-021-01700-6

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) Marcelo V. Flamarion, Efim N. Pelinovsky, Tatiana G. Talipova M., Pelinovsky E.N., Talipova T.G.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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».