Институт динамики геосфер РАН
(ИДГ РАН)

Ленинский проспект, д. 38, корп. 1, 119334 Москва, Россия
Попель Сергей Игоревич, д.ф.-м.н., профессор
Тел.: (095) 939-75-70;
 Факс: (095) 137-65-11
E-mail: s_i_popel@mtu-net.ru

В Институте динамики геосфер РАН работы в области низкотемпературной плазмы проводятся по следующим направлениям:

1) Сильные возмущения и элементарные процессы в лабораторной плазме, содержащей частицы мелкодисперсной фазы;

2) Самоорганизация и образование пылевых структур в геофизической  плазме;

3) Нелинейные процессы в низкотемпературной плазме.

По первому направлению проводятся теоретические и экспериментальные исследования сильных возмущений [1 - 6] и элементарных процессов [7] в плазме, содержащей нано- и/или микрочастицы. Продолжено исследование диссипативных процессов при возбуждении и распространении пылевых ионно-звуковых нелинейных возмущений в пылевой плазме [4]. В частности, проведено рассмотрение диссипативных процессов при распространении пылевых ионно-звуковых нелинейных возмущений в плазме с приблизительно равными электронной и ионной температурами [6]. Такая ситуация реализуется, например, в пылевой плазме Q-машины. Показано, что эксперименты, выполненные в Q-машине, позволяют наблюдать два существенных эффекта: (1) существенное уменьшение интенсивности затухания Ландау пылевых ионно-звуковых возмущений при увеличении концентрации пыли даже в плазме с равными температурами электронов и ионов; (2) формирование и распространение пылевых ионно-звуковых ударных волн при достаточно больших концетрациях пыли, диссипация в которых связана с зарядкой пылевых частиц, поглощением ионов на пылевых частицах и передачей импульса ионов пылевым частицам вследствие рассеяния ионов на пылевых частицах.

Во взаимодействии с Институтом внеземной физики Общества Макса Планка экспериментально показано [5], что пылевая звуковая ударная волна в двумерной пылевой плазме радиочастотного разряда может приводить к фазовым переходам от кристаллического состояния пылевой плазмы в газообразное или жидкое состояние. Наблюдаемая ударная волна соответствует плавлению плазменно-пылевой кристаллической решетки. Плавление осуществляется в две стадии. На первой стадии решетка сжимается в направлении распространения волны, а на второй происходит стохастизация скоростей пылевых частиц за фронтом ударной волны.

Исследован эффективный потенциал заряженной микрочастицы, движущейся в пылевой плазме [7]. Потенциал имеет отрицательную кильватерную часть, порождающую притяжение между одноименно заряженными микрочастицами. Оказывается, что глубина этого потенциала достаточна, чтобы обеспечить устойчивость кристаллической структуры, составляемой микрочастицами, а также существенное поверхностное натяжение границы запыленной области. Оно зависит от ориентации поверхности относительно потока ионов: максимально и положительно для поверхности ортогональной потоку ионов и минимально и отрицательно для поверхности вдоль потока ионов. Эти его свойства обеспечивают устойчивость чечевицеобразного пузыря («войда») в пылевой фазе.

По второму направлению проводятся исследования ионосферной и магнитосферной плазмы, а также изучаются процессы формирования и эволюции нано- и микрочастиц, приводящие к формированию пылевых структур в ионосфере и магнитосфере Земли. В частности, рассмотрена эволюция нано- и микрочастиц (пылевых частиц) в ионосфере и их влияние на ионизационные свойства средней атмосферы [8]. Показано, что в условиях летней полярной ионосферы, когда температура окружающего воздуха опускается ниже 150 К, и пары воды становятся пересыщенными, возможны рост микрочастиц и образование пылевых структур в средней атмосфере таких, как серебристые облака и полярные мезосферные радиоотражения. Указанные пылевые структуры могут заметно менять состав ионосферной плазмы в месте своей локализации. В зависимости от фотоэлектрических свойств частиц их наличие может привести как к избытку, так и к уменьшению электронной концентрации при сложном поведении концентрации ионов. Предлагаемая самосогласованная модель ионосферы, учитывающая рост микрочастиц, их седиментацию и зарядку позволяет объяснить основные наблюдаемые ионизационные особенности летней полярной ионосферы. На рисунке изображена зависимость размера пылевой частицы от времени и высоты, характеризующая седиментацию пылевых частиц в летней полярной мезосфере. Видно формирование на высотах около 80 км слоя частиц с характерным размером 0.3 – 0.5 мкм за времена порядка 10 часов. На внутреннем рисунке представлены типичные зависимости высоты (сплошная кривая) и радиуса (штриховая кривая) пылевой частицы от времени, характеризующие влияние восходящих потоков воздуха на динамику микрочастиц. Скорость подъема воздуха считалась равной 10 см/с.

Знак заряда пылевых частиц, составляющих серебристые облака и полярные мезосферные радиоотражения, зависит от материала, из которого частицы состоят. Как правило, частицы состоят изо льда. В их составе возможны примеси металлов. В случае, если в состав пылевой частицы входит существенная доля металлов, частица может приобрести положительный заряд. Для частиц же, состоящих из чистого льда, заряд отрицательный. Исследовано влияние знака заряда пылевых частиц на свойства пылевых звуковых солитонов, распространяющихся в запыленной ионосфере [9, 10]. Показано, что в случае положительных зарядов частиц пылевые звуковые солитоны соответствуют «горбу» («ямке») электронной (ионной) концентрации. В случае отрицательных зарядов пылевых частиц ситуация противоположная. Указанные различия в свойствах пылевых звуковых солитонов могут быть использованы для диагностики плазмы серебристых облаков и полярных мезосферных радиоотражений.

Существенное влияние на ионосферу Земли могут оказывать метеороиды, астероиды и кометы, входящие в нее. В частности, они приводят к появлению заряженных нано- и микрочастиц так, что участок ионосферы на высотах 80 - 120 км (и не только в полярной области)  можно трактовать как участок, содержащий пылевую плазму. Показано [11], что радиошумы на частотах от 20 Гц до 60 Гц, наблюдаемые во время метеорных потоков Персеид, Орионид, Леонид, Геминид, связаны с низкочастотной пылевой звуковой модой в пылевой плазме ионосферы Земли.

Удары небольших астероидов и комет могут также приводить к возмущениям ионосферы и магнитосферы [12]. Через разреженный след, образующийся за этими телами при их проникновении сквозь атмосферу, поднимается ионизованный плюм, что приводит к интенсивным вариациям магнитного поля. Большая часть плюма падает затем обратно и генерирует в ионосфере интенсивные осцилляции и акустико-гравитационные волны. Возмущения в ионосфере и магнитосфере для космических тел диаметром 100 - 300 м и более могут носить глобальный характер.

Из тела метеороида, входящего в атмосферу с большой скоростью, могут выбиваться ионизованные частицы [13]. Показано, что ионизующее действие таких частиц на высотах более 120 км создает протяженный ионизованный след с электронными концентрациями, превосходящими ионосферный фон. Рассчитанные значения электронных концентраций дают основания предполагать, что метеорный след может регистрироваться радиолокационными средствами.

По третьему направлению проводятся исследования нелинейных процессов низкотемпературной плазмы как теоретически, так и во взаимодействии с экспериментальными работами. Продолжены исследования [14, 15] по описанию экспериментов по возбуждению возмущений магнитного поля нижнегибридными волнами в линейном плазменном разряде высокого напряжения. Показано [16], что возможны как диамагнитные, так и парамагнитные возмущения, связанные с магнито-модуляционными процессами. Теоретические результаты согласуются с экспериментальными данными.

В сотрудничестве с Институтом им. И.В. Курчатова проведено исследование механизмов генерации токовых филаментов в плотной плазме под действием сфокусированных лазерных импульсов и в конфигурации Z-пинча [17]. Показано, что в токовых филаментах возникают сильные электрические поля порядка атомных, где возможно ускорение ионов до энергий в несколько десятков МэВ. Численно рассчитана динамика ионов в сильных электрических полях филаментов, которая приводит к формированию бесстолкновительных ударных волн на временах порядка нескольких обратных ионных плазменных частот.

Литература

  1. Popel S.I., Yu M.Y. // Phys. Scripta. 2004. V. T113. P. 105.

  2. Popel S.I., Morfill G.E. // Ukrainian J. Phys. 2005. V. 50. P. 161.

  3. Popel S.I. // J. Plasma Fus. Res. SERIES. 2004. V. 6. P. 421.

  4. Попель С.И., Андреев С.Н., Гиско А.А., Голубь А.П., Лосева Т.В. // Физика плазмы. 2004. Т. 30. С. 314.

  5. Samsonov D., Zhdanov S.K., Quinn R.A., Popel S.I., Morfill G.E. //  Phys. Rev. Lett. 2004. V. 92, 255004, 4 pages.

  6. Popel S.I., Losseva T.V., Merlino R.L., Andreev S.N., Golub’ A.P. // Phys. Plasmas. 2005. V. 12, 054501, 4 pages.

  7. Bashkirov A.G. // Phys. Rev. E. 2004. V. 69, 046410, 7 pages.

  8. Клумов Б.А., Морфилл Г.Е., Попель С.И. // ЖЭТФ. 2005. Т. 127. С. 171.

  9. Kopnin S.I., Kosarev I.N., Popel S.I., Yu M.Y. // Planet. Space Sci. 2004. V. 52. P. 1187.

  10. Копнин С.И., Косарев И.Н., Попель С.И., Ю М. // Физика плазмы. 2005. Т. 31. С. 224.

  11. Kopnin S.I., Popel S.I., Golub’ A.P. // Abstracts of 4th Intern. Conf. Phys. Dusty Plasmas (Orleans, France, 2005).

  12. Ковалев А.Т., Немчинов И.В., Шувалов В.В. // в сборнике «Динамика взаимодействующих геосфер» под ред. С.Б. Турунтаева. М.: ИДГ РАН. 2004.  С. 245.

  13. Стрелков А.С., Попова О.П., Сиднева С.Н. // в сборнике «Динамика взаимодействующих геосфер» под ред. С.Б. Турунтаева. М.: ИДГ РАН. 2004.  С. 268.

  14. Popel S.I., Elsässer K., Takeda Y., Inuzuka H. // Phys. Plasmas. 2003. V. 10. P. 2296.

  15. Popel S.I., Takeda Y., Inuzuka H., Elsässer K. // J. Plasma Fus. Res. SERIES. 2004. V. 6. P. 573.

  16. Жуков Б.К., Попель С.И., Такеда Я., Инузука Х. // Тезисы докладов XXXII Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС. М.: ЗАО НТЦ «ПЛАЗМАИОФАН», 2005. С. 262.  

  17. Гордеев  А.В., Лосева Т.В. // Физика плазмы. 2005. Т. 31. С. 30.


Важнейшие результаты:

1. Показано, что эксперименты по пылевым ионно-звуковым ударным волнам в Q-машине позволяют наблюдать два существенных эффекта: (1) существенное уменьшение интенсивности затухания Ландау пылевых ионно-звуковых возмущений при увеличении концентрации пыли даже в плазме с равными температурами электронов и ионов; (2) формирование и распространение пылевых ионно-звуковых ударных волн при достаточно больших концетрациях пыли, диссипация в которых связана с зарядкой пылевых частиц, поглощением ионов на пылевых частицах и передачей импульса ионов пылевым частицам вследствие рассеяния ионов на пылевых частицах.

2. Экспериментально показано, что пылевая звуковая ударная волна в двумерной пылевой плазме радиочастотного разряда может приводить к фазовым переходам от кристаллического состояния пылевой плазмы в газообразное или жидкое состояние.

3. Развита самосогласованная модель ионосферы, учитывающая рост микрочастиц, их седиментацию и зарядку и позволяющая объяснить основные наблюдаемые ионизационные особенности летней полярной ионосферы.

4. Показано, что различия в свойствах пылевых звуковых солитонов для различных материалов пылевых частиц могут быть использованы для диагностики плазмы серебристых облаков и полярных мезосферных радиоотражений.

5. Показано, что радиошумы на частотах от 20 Гц до 60 Гц, наблюдаемые во время метеорных потоков Персеид, Орионид, Леонид, Геминид, связаны с низкочастотной пылевой звуковой модой в ионосфере Земли.

Hosted by uCoz