Besstolknovitel'nye udarnye volny

Besstolknovitel'nye udarnye volny - rezkie izmeneniya parametrov plazmy (plotnosti, temperatury, magnitnogo polya i dr.), voznikayushie pri sverhzvukovom dvizhenii plazmy i imeyushie tolshinu fronta, sushestvenno men'shuyu dliny svobodnogo probega, tak chto parnyh stolknovenii v nih ne proishodit. V lab. plazme besstolknovitel'nye udarnye volny voznikayut pri szhatii i nagreve plazmy bystronarastayushim magnitnym polem. V kosmicheskih usloviyah obrazovanie besstolknovitel'noi udarnoi volny proishodit, naprimer pri vzaimodeistvii solnechnogo vetra s magnitosferami planet, pri vzaimodeistvii zvezdnogo vetra s magnitosferami pul'sarov. Naibolee izuchennyi v kosmicheskoi plazme ob'ekt - udarnaya volna zemnoi magnitosfery, tolshina fronta kotoroi na neskol'ko poryadkov velichiny men'she dliny svobodnogo probega.
V plazme, po kotoroi uzhe proshla udarnaya volna, vsegda imeyutsya chasticy, dvizhushiesya bystree fronta, kotorye, zabegaya vpered v nevozmushennuyu volnoi plazmu, mogli by sozdat' rasplyvanie fronta do tolshiny, sravnimoi s dlinoi svobodnogo probega. Odnako etogo ne proishodit po dvum prichinam. Pri nalichii magnitnogo polya, parallel'nogo frontu volny ili napravlennogo pod uglom k nemu, pole zavorachivaet chasticy, dvizhushiesya poperek fronta na rasstoyanii poryadka larmorovskogo radiusa, kotoryi, takim obrazom, igraet rol' dliny svobodnogo probega. Esli magnitnoe pole perpendikulyarno frontu volny ili voobshe otsutstvuet, to mehanizm, prepyatstvuyushii rasplyvaniyu, imeet kollektivnuyu prirodu, to est' osushestvlyaetsya s pomosh'yu vozbuzhdaemyh neustoichivostei i voln. Esli v nevozmushennuyu volnoi oblast' plazmy pronikla cherez front gruppa (puchok) bystryh chastic, to pered frontom volny razvivayutsya puchkovaya neustoichivost' i intensivnye kolebaniya plazmy, kotorye effektivno tormozyat bystruyu komponentu. V etom sluchae takzhe kak by proishodit pereopredelenie dliny svobodnogo probega s uchetom kollektivnyh processov.
Obrazovanie udarnoi volny v plazme mozhno rassmotret' na primere dvizheniya magnitnogo porshnya (rol' takogo porshnya dlya plazmy solnechnogo vetra vypolnyaet planetnaya magnitosfera). Plazma pered porshnem szhimaetsya, pri etom vozrastaet napryazhennost' vmorozhennogo v nee magnitnogo polya H₀. V holodnoi plazme, davlenie kotoroi r sushestvenno men'she magnitnogo davleniya (), vozmusheniya plotnosti i magnitnogo polya (magnitozvukovye volny) peremeshayutsya s al'venovskoi skorost'yu (sm. Al'venovskie volny) gde - plotnost' plazmy. Esli skorost' porshnya to voznikshie pered porshnem vozmusheniya postepenno peredayutsya v glub' plazmy v vide magnitozvukovyh voln. Odnako pri magnitozvukovye volny ne uspevayut otorvat'sya ot porshnya i prodvinut' dal'she oblast' szhatiya. Poetomu porshen' kak by "sgrebaet" plazmu, i pered nim proishodit obrazovanno oblasti szhatiya plazmy i magnitnogo polya do teh por, poka uvelichenie lokal'noi v_A, svyazannoe s uvelicheniem magnitnogo polya, ne sdelaet vozmozhnym "otryv" vozmushenii ot porshnya.
Kineticheskaya energiya porshnya transformiruetsya pri prohozhdenii udarnoi volny vo vnutrennyuyu energiyu plazmy, osnovnaya dolya kotoroi prihoditsya na intensivnye kolebaniya plotnosti magnitnogo polya i drugih parametrov. Proishozhdenie takih kolebanii ne vsegda svyazano s neustoichivost'yu, eto mogut byt', naprimer, nelineinye kolebaniya v vide tak nazyvaemyh uedinennyh voln (solitonov), obrazuyushihsya blagodarya dispersionnym svoistvam plazmy, vsledstvie kotoryh vozmozhno ogranichenie nelineinogo rosta krutizny volnovogo profilya (ukrucheniya), privodyashego k razryvu. Effekt nelineinogo ukrucheniya, izvestnyi iz obychnoi gazodinamiki, sostoit v tom, chto uchastki volnovogo profilya s bol'shei amplitudoi vozmusheniya, kotorym sootvetstvuyut bol'shie skorosti dvizheniya, stremyatsya operedit' uchastki s men'shei skorost'yu i, v konce koncov, obrazuetsya razryv (ris. 1). Na yazyke fur'e-analiza nelineinoe ukruchenie oznachaet rozhdenie vysshih garmonik s bol'shimi znacheniyami volnovogo chisla k. V obychnoi gazodinamike otsutstvuet dispersiya fazovoi skorosti, to est' skorosti razlichnyh garmonik sovpadayut. V etom sluchae nelineinoe ukruchenie mozhet byt' ostanovleno tol'ko za schet poyavleniya dissipacii (naprimer, vyazkosti), rastushei s uvelicheniem volnovogo chisla. Pri nalichii dispersii fazovoi skorosti obrazuyushiesya za schet nelineinosti vysshie garmoniki "otryvayutsya" ot osnovnoi volny - obgonyayut ee ili otstayut v zavisimosti ot togo, rastet ili ubyvaet fazovaya skorost' s rostom volnovogo chisla. V rezul'tate eshe do oprokidyvaniya i obrazovaniya razryva volna mozhet "raspast'sya" na otdel'nye nelineinye volnovye pakety v forme solitonov (ris. 2). Harakternyi razmer solitona sovpadaet s dispersionnym prostranstvennym razmerom l_disp, to est' s dlinoi volny, na kotoroi stanovitsya sushestvennoi dispersiya fazovoi skorosti. Naprimer, dlya ionno-zvukovyh solitonov v plazme bez magnitnogo polya l _disp est' debaevskii radius ekranirovaniya.
Superpoziciya solitonov obrazuet front besstolknovitel'noi udarnoi volny s oscillyatornoi strukturoi. Otdel'nyi soliton voznikaet v prenebrezhenii dissipaciei pri nalichii tol'ko dvuh faktorov - nelineinosti i dispersii. Soliton opisyvaet obratimye dvizheniya plazmy - sostoyanie plazmy do i posle prohozhdeniya volny odno i to zhe. Neobratimyi skachok parametrov, harakternyi dlya udarnoi volny, voznikaet pri uchete dissipacii. V besstolknovitel'nyh udarnyh volnah - eto "kollektivnaya" dissipacii energii plazmennyh kolebanii, sushestvuyushih za frontom besstolknovitel'noi udarnoi volny. V laminarnoi besstolknovitel'noi udarnoi volne dissipaciya obychno obuslovlena rezonansnym poglosheniem energii voln chasticami (sm, Landau zatuhanie). V turbulentnoi besstolknovitel'noi udarnoi volne sushestvenny neustoichivosti, razvivayushiesya na fronte volny, naprimer ionno-zvukovaya neustoichivost', parametricheskaya neustoichivost' regulyarnyh kolebanii magnitnogo polya i dr. (sm. Neustoichivosti plazmy). V lyubom sluchae v rezul'tate razvitiya neustoichivosti plazma perehodit v turbulentnoe sostoyanie, pri kotorom energiya regulyarnyh kolebanii za frontom udarnoi volny transformiruetsya v turbulentnye pul'sacii i v teplovuyu energiyu plazmy (sm. Turbulentnost' plazmy). Dlina, na kotoroi proishodit "kollektivnaya" dissipaciya regulyarnyh kolebanii l _dissip, opredelyaet razmer perehodnoi oblasti besstolknovitel'noi udarnoi volne, a razmer otdel'noi oscillyacii opredelyaetsya dispersionnoi dlinoi l _disp (ris. 2, a). Struktura, pokazannaya na etom risunke, sootvetstvuet sredam s otricatel'noi dispersiei, kogda skorost' dvizheniya solitona tem bol'she, chem bol'she ego amplituda (gravitacionnye volny na vode, a v plazme - ionno-zvukovye volny i rasprostranyayushiesya strogo poperek magnitnogo polya magnitozvukovye volny). V etom sluchae samyi bol'shoi soliton bezhit vperedi, a oscilliruyushii "hvost", obrazovannyi solitonami men'shei amplitudy, ostaetsya pozadi fronta. Obratnyi sluchai (ris. 2. b) sootvetstvuet sredam s polozhitel'noi dispersiei, kogda skorost' dvizheniya solntona umen'shaetsya s rostom ego amplitudy (naprimer, "kosye" magnitozvukovye volny; sm. Volny v plazme). V etom sluchae, oscilliruyushii "hvost" nahoditsya v perednei chasti fronta udarnoi volny.
Opisannye vyshe teoreticheskie modeli besstolknovitel'nyh udarnyh voln poluchili kolichestvennoe podtverzhdenie v laboratornyh eksperimentah i pri izmereniyah v plazme solnechnogo vetra. Na ris. 3 pokazana struktura kosoi mezhplanetnoi udarnoi volny po dannym izmerenii na bortu sputnika ICEE v 1977. V sootvetstvii s opisannymi vyshe teoreticheskimi modelyami oscillyatornaya struktura v etom sluchae raspolagaetsya pered frontom udarnoi volny.