«Введение в физику космической плазмы»
Описание курса:
Курс посвящен систематическому изучению основ физики плазмы с преимущественным вниманием к ее космофизическим приложениям. Подробно рассматриваются одночастичное приближение, магнитная гидродинамика и кинетическое описание плазмы. Рассматриваются линейные и нелинейные колебания и волны, механизмы неустойчивостей плазмы, генерации и затухания волн в плазме. Особое внимание уделяется плазменной турбулентности и механизмам ускорения заряженных частиц в космофизических объектах. Курс предназначен для студентов старших курсов, специализирующихся в области экспериментальной физики космоса, и служит теоретической основой для последующих спецкурсов по физике Солнца, межпланетной среды, магнитосферы и ионосферы Земли и планет. Важность физики плазмы для космофизики определяется природой изучаемых объектов: и магнитосферы Земли и планет, и солнечный ветер — это плазменные системы, причем преимущественно плазма бесстолкновительная и далекая от термодинамического равновесия. С другой стороны, возможность непосредственного измерения функций распределения частиц и электромагнитных полей с космических аппаратов делает магнитосферы планет и солнечный ветер естественными лабораториями, позволяющими изучать многие фундаментальные вопросы физики плазмы.
План курса:
Лекция 1 и Семинар
Понятие плазмы. Дебаевский радиус, квазинейтральность. Плазменные колебания, плазменная (ленгмюровская) частота. Идеальная и неидеальная плазма. Вырожденная плазма. Столкновительная и бесстолкновительная плазма.
Лекция 2 и Семинар
Процессы ионизации и рекомбинации в плазме. Формулы Саха и Эльверта. примеры сильно- и слабоионизованной плазмы в лаборатории и в космосе. Газовый разряд. Формирование спектров звезд.
Лекция 3 и Семинар
Одночастичное приближение. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях. Ларморовский радиус и циклотронная частота. Электрический и градиентный дрейф. Адиабатические инварианты. Магнитные ловушки. Движение заряженных частиц в поле диполя.
Лекция 4 и Семинар
Точность сохранения адиабатических инвариантов. Диффузия Арнольда. Радиационные пояса Земли.
Лекция 5 и Семинар
Кинетическое описание плазмы. Одночастичная функция распределения. Уравнение Власова. Интеграл столкновений. Столкновительная и бесстолкновительная релаксация плазмы, каппа-распределения. Дрейфовое кинетическое уравнение.
Лекция 6 и Семинар
Переход от кинетических уравнений к уравнениям МГД: уравнения переноса, двухжидкостная МГД, одножидкостная МГД, приближение Чу – Гольдбергера – Лоу. Обобщенный закон Ома, педерсеновская и холловская проводимости.
Лекция 7 и Семинар
Гидродинамика. Уравнение Эйлера, уравнение Навье – Стокса. Число Рейнольдса, характер течения жидкости при разных числах Рейнольдса. Магнитная гидродинамика. Магнитная диффузия, магнитное число Рейнольдса. Приближение вмороженности и границы его применимости.
Лекция 8 и Семинар
Магнитостатика. Магнитные поверхности и магнитные трубки. Магнитное натяжения и магнитное давление. Теорема вириала. Примеры магнитостатических конфигураций: пинчи, бессиловые конфигурации, токовые слои. Магнитостатические конфигурации в космофизических системах. Основное уравнение магнитосферно-ионосферных взаимодействий.
Лекция 9 и Семинар
Генерация магнитных полей в космосе. Генерация и затухание магнитного поля в сдвиговом течении. Антидинамо теоремы. Генерация тороидального и полоидального полей в результате дифференциального вращения и конвекции. Тороидальный вихрь Тверского. Турбулентное динамо.
Лекция 10 и Семинар
Волны в магнитной гидродинамике. Разрывы в гидродинамике и в магнитной гидродинамике. Эволюционность разрывов. Ударные адиабаты.
Лекция 11 и Семинар
Тензор диэлектрической проницаемости плазмы. Линейные колебания и волны в плазме без магнитного поля. Затухание Ландау. Линейные колебания и волны в холодной магнитоактивной плазме. Волны в горячей магнитоактивной плазме. Примеры волн в космофизических системах.
Лекция 12 и два Семинара
Неустойчивости плазмы. МГД неустойчиваости идеально проводящей плазмы. Диссипативные неустойчивости и тиринг-мода. Дрейфовые неустойчивости. Гидродинамические неустойчивости однородной плазмы. Тепловая неустойчивость межзвездной среды. Кинетические неустойчивости. Параметрические неустойчивости.
Лекция 13 и Семинар
Нелинейные волны в плазме. Уравнение Кортевега – де Фриза, солитоны. Бесстолкновительные ударные волны.
Лекция 14 и 15
Турбулентность в гидродинамике и в плазме. Квазилинейное приближение. Слабая и сильная турбулентность. Колмогоровский спектр гидродинамической турбулентности. Спектры МГД-турбулентности. Экспериментальные данные по турбулентности космической плазмы.
Лекция 16 и 2 Семинара
Механизмы ускорения заряженных частиц в космосе.
