БЕССТОЛКНОВИ́ТЕЛЬНАЯ УДА́РНАЯ ВОЛНА́
-
Рубрика: Физика
-
Скопировать библиографическую ссылку:
БЕССТОЛКНОВИ́ТЕЛЬНАЯ УДА́РНАЯ ВОЛНА́, распространяющаяся в разреженной плазме со сверхзвуковой скоростью переходная область, в которой происходит скачкообразное изменение параметров (плотности электронов $N_\text e$ и ионов $N_\text i$, темп-ры $T_\text e$ и $T_\text i$, магнитного поля $H$ и др.). Толщина этой области значительно меньше длины свободного пробега ионов, так что столкновений частиц на этих расстояниях не происходит. Напр., при обтекании магнитосферы Земли солнечным ветром образуется ударная волна толщиной $L=$ 100 км, а длина свободного пробега ионов в межпланетной плазме $l_\text i=$ 108 км. Б. у. в. обнаружены в хвосте магнитосферы Земли, а также при взаимодействии звёздного ветра с облаками межзвёздного газа. В лабораторных условиях Б. у. в. наблюдались при столкновениях плазменных сгустков, при сжатии плазмы магнитными полями и т. п.
Диссипация кинетич. энергии частиц в Б. у. в. происходит не в результате кулоновских столкновений, а вследствие коллективных эффектов – турбулентности плазмы.
Как и для ударных волн в газах, мерой интенсивности Б. у. в. является Маха число $M$, равное отношению скорости волны $U$ к скорости звука в среде $v$: $M = U / v$. В плазме присутствует неск. типов волн, различающихся скоростью (см. Волны в плазме). Так, ионно-звуковые волны распространяются со скоростью $v_\text s = (T_\text e/m_\text i)^{1/2}$ ($m_\text i$ – масса иона), магнитозвуковые – со скоростью $v_\text A = H/(4πN_\text im_\text i)^{1/2}$. В зависимости от скорости волн (следовательно, и от числа Маха) различен характер диссипативных процессов в Б. у. в. При $1 < M < M_\text {кр}$ ($M_\text {кр}= 1,6$ для ионно-звуковых и $M_\text {кр}= 3$ для магнитозвуковых волн) происходит в осн. нагрев электронов за счёт т. н. аномального сопротивления, а рост крутизны фронта сдерживается эффектами дисперсии. При $M > M_\text {кр}$ происходит «опрокидывание» фронта волны и возникает многопотоковое движение ионов, приводящее к их нагреву. В магнитозвуковых ударных волнах экспериментально обнаружен переход от тока, сформированного электронами при $M < M_\text {кр}$, к току ионов при $M > M_\text {кр}$. Это проявляется в изменении толщины фронта в $m_\text i/m_\text e$ раз ($m_\text e$ – масса электрона). При $M < M_\text {кр}$ для Б. у. в., распространяющихся под углом к магнитному полю, характерно существование «предвестников», опережающих осн. скачок поля, тогда как для поперечных волн за скачком поля может существовать «шлейф» затухающих колебаний магнитного поля.
Теоретически проблема Б. у. в. наиболее последовательно была развита в работах Р. З. Сагдеева. Осн. лабораторные эксперименты по Б. у. в. выполнены в России и за рубежом в 1960–70-х гг. Исследования Б. у. в. в космосе с помощью спутников проводятся с кон. 1950-х гг.
Интерес к Б. у. в. в плазме связан с их особой ролью в происхождении космич. лучей и в возникновении магнитных бурь в магнитосфере Земли, а также с исследованиями импульсного термоядерного синтеза, где создание высоких плотностей энергии сопровождается образованием ускоренных ионов нетеплового происхождения.