Особенности квазилинейной динамики диамагнитной неустойчивости космической плазмы
Категория: 14-1
УДК 550.38
О.А. Похотелов, О.Г. Онищенко
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия
Исследована нелинейная эволюция диамагнитной (зеркальной) неустойчивости вблизи ее порога. Показано, что на начальной стадии насыщение неустойчивости происходит из-за уплощения функции распределения ионов в резонансной области. Последующая релаксация неустойчивости связана с заметным ослаблением резонансного взаимодействия волны с частицами плазмы, быстро сменяемым более слабым адиабатическим взаимодействием ионов с зеркальной модой. Конечное состояние может рассматриваться как аналог известной электростатической моды Берштейна–Грина–Крускала [Bernstein, Greene, Kruskal, 1957]. На финальной стадии квазилинейной релаксации дальнейшая нелинейная эволюция неустойчивости происходит под воздействием напряжений Рейнольдса и нелинейных вариаций ларморовского радиуса ионов. Аналитические расчеты находят подтверждение при численном моделировании методом частиц в ячейке, указывающем на уплощение функции распределения ионов в резонансной области, которое приводит к уменьшению свободной энергии системы, поддерживающей неустойчивость.
Ключевые слова: магнитогидродинамические волны и турбулентность, магнитослой, нелинейные явления.
Литература
Balikhin M.A., Sagdeev R.Z., Walker S.N., Pokhotelov O.A., Sibeck D.G., Beloff N., Dudnikova G. THEMIS Observations of Mirror Structures: Magnetic Holes and Instability Thresholds // Geophys. Res. Lett. 2009. V. 36. P.LO3105. doi:10.1029/2008GLO36923.
Balikhin M., Pokhotelov O., Walker S., Boynton R., Beloff N. Mirror mode peaks: THEMIS observations versus theories // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. P.L05104. doi: 10.1029/2009GL042090.
Bernstein I.B., Greene J.M., Kruskal M.D. Exact nonliner plasma oscillations // Phys. Rev. 1957. V. 108. P.546–550.
Califano F., Hellinger P., Kuznetsov E.A., Passot T., Sulem P.L., Trávniček P.M. Nonlinear mirror mode dynamics: Simulations and modeling // J. Geophys. Res. 2008. V. 13. P.A08219. doi: 10.1029/2007JA012898.
Fried B.D. Mechanism for instability of transverse plasma waves // Phys. Fluids. 1959. V. 2. P.337–337.
Hellinger P., Kuznetsov E.A., Passot T., Sulem P.L., Trávniček P.M. Mirror instability: From quasi-linear diffusion to coherent structures // Geophys. Res. Lett. 2009. V. 36. P.L06103. doi: 10.1029/2008GL036805.
Istomin Y.N., Pokhotelov O.A., Balikhin M.A. Mirror instability in Space plasmas: Solitons and Cnoidal Waves // Phys. Plasmas. 2009a. V. 16. P.062905.
Istomin Ya.N., Pokhotelov O.A., Balikhin M.A. Nonzero electron temperature effects in nonlinear mirror modes // Phys. Plasmas. 2009b. V. 16. P.122901.
Jovanović D., Shukla P.K. Nonlinear gyrokinetic theory for steady-state mirror mode magnetic structures // Phys. Plasmas. 2009. V. 16. P.082901.
Kivelson M.G., Southwood D.J. Mirror instability, 2, The mechanism of nonlinear saturation // J. Geophys. Res. 1996. V. 101. P.17.365–17.371.
Kuznetsov E.A., Passot T., Sulem P.L. Dynamical model for nonlinear mirror modes near threshold // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98. P.235003.
Palodhi L., Califano F., Pegoraro F. Nonlinear kinetic development of the Weibel instability and the generation of electrostatic coherent structures // Plasma Phys. Control. Fusion. 2009. V. 51. P.125006. doi:10.1088/0741-3335/51/12/125006.
Pantellini F.G. E. A model of the formation of stable nonpropagating magnetic structures in the solar wind based on the nonlinear mirror instability // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. P.4789–4798.
Pokhotelov O.A., Amariutei O.A. Quasi-linear dynamics of Weibel instability // Ann. Geophys. 2011. V. 29. P.1997–2001
Pokhotelov O.A., Sagdeev R.Z., Balikhin M.A., Onishchenko O.G., Fedun V.N. Nonlinear mirror waves in non-Maxwellian space plasmas // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. P.A04225. doi: 10.1029/2007JA012642.
Shapiro V.D., Shevchenko V.I. Quasilinear theory of instability of a plasma with anisotropic ion velocity distribution // Sov. Phys. JETP, Eng. Trans. 1964. V. 18. P.1109–1116.
Soucek J., Lucek E., Dandouras I. Properties of magnetosheath mirror modes observed by Cluster and their response to changes in plasma parameters // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. P.A04203. doi: 10.1029/2007JA012649.
Vedenov A.A., Sagdeev R.Z. Some properties of plasma with an anisotropic ion velocity distribution in a magnetic field // Plasma Physics and Problem of Controlled Thermonuclear Reactions. 1958. V. III / Ed. M.A. Leontovich. Pergamon, Tarrytown, New York. P. 332.
Weibel E.S. Spontaneously growing transverse waves in a plasma due to an anisotropic velocity distribution // Phys. Rev. Lett. 1959. V. 2. P.83–84.
Сведения об авторах
ПОХОТЕЛОВ Олег Александрович – доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123995, ГСП-5,
Москва, Д-242, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: (499) 254-88-05. E-mail: pokh@ifz.ru
ОНИЩЕНКО Олег Григорьевич – доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123995, ГСП-5, Москва, Д-242,
ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: (499) 254-88-05. E-mail: onish@ifz.ru