БЕССТОЛКНОВІТЕЛЬНИЕ УДАРНІ ХВИЛІ - різкі скачки щільності, темп-ри, магн. поля та ін. параметрів плазми , Що виникають при її надзвуковому русі і мають товщину фронту (перехідної області), істотно меншу, ніж довжина вільного пробігу (на відміну від ударних хвиль в звичайній газодинаміці, товщина фронту яких брало порівнянна або більше довжини вільного пробігу молекул). У високотемпературної розрідженій плазмі, коли довжина вільного пробігу велика, ударні хвилі зазвичай явл. бесстолкновітельнимі. Прикладом Б. у. в. в космічних. умовах можуть служити скачки міжпланетного магнітного. поля в плазмі сонячного вітру - міжпланетні ударні хвилі і ударні хвилі магнітосфер планет . При надзвуковому натекания плазми сонячного вітру на перешкоду, яким явл. для неї магнітосфера, виникає область стиснення плазми і вмороженого в неї магн. поля. Темп-pa в цій області підвищується. Фронт ударної хвилі товщиною всього ~ 100 км розташовується на відстані неск. десятків тис. км від кордону земної магнітосфери - магнітопаузи, в той час як довжина вільного пробігу частинок порівнянна з відстанню від Землі до Сонця - 150 млн. км.

Розглянемо, що ж перешкоджає розпливання фронту ударної хвилі до товщини, порівнянної з довжиною вільного пробігу. В області плазми, по до-рій вже пройшла ударна хвиля, завжди знайдуться швидкі частинки, які рухаються швидше фронту. Ці частинки, забігаючи вперед в необуреним плазму, викличуть розпливанню фронту. Уявний парадокс пояснюється двома причинами. При наявності магн. поля, паралельного фронту хвилі або спрямованого під кутом до нього, поле загортає частки, що рухаються впоперек фронту на відстані близько ларморовского радіусу (див. Лоренца сила ), К-рий, т. О., Грає роль довжини вільного пробігу. Якщо ж магн. поле перпендикулярно фронту хвилі або взагалі відсутня, то механізм, що перешкоджає розпливання, має "колективну" природу. Дійсно, нехай в необуреним хвилею область плазми проникла через фронт група швидких частинок. Тоді перед фронтом хвилі розвивається пучкова нестійкість (див. нестійкості плазми ), Яка веде за рахунок колективної взаємодії до ефективного гальмування швидкого компонента, енергія догрого витрачається на збудження інтенсивних коливань плазми. Тут також по-своєму переопределяется довжина вільного пробігу, на цей раз з урахуванням колективних процесів.

Розглянемо конкретний приклад освіти ударної хвилі в плазмі. Нехай в плазму зі швидкістю, що перевищує альвеновская, вдвигается магн. поршень (роль такого поршня для плазми сонячного вітру виконує, напр., планетна магнітосфера). Плазма перед поршнем стискається, при цьому зростає напруженість вмороженого в неї магн. нуля H0. У холодній плазмі, тиск до-рій p істотно менше тиску магн. поля Pм (р << рм = H02 / 8 p), обурення щільності і магн. поля (магнітозвукових хвилі) переміщаються з альвеновской швидкістю (R - щільність плазми), к-раю для таких збурень грає роль швидкості звуку. Тому якби поршень рухався повільніше, то виникли перед поршнем обурення поступово передавалися б в глиб плазми в формі йдуть від поверхні поршня магніто-звукових хвиль. Однак, оскільки рух поршня відбувається швидше - з сверхальвеновской швидкістю, то магнітозвукових хвилі не встигають відірватися від поршня і просунути далі область стиснення. Тому поршень як би згрібає плазму і перед ним відбувається утворення області стиснення плазми і магнітного. поля до тих пір, поки пов'язане зі збільшенням магн. поля збільшення локальної альвеновской швидкості не зробить можливим "відрив" обурень від поршня і утворення ударної хвилі.

При проходженні ударної хвилі кинетич. енергія поршня трансформується у внутр. енергію плазми. Перехід енергії спрямованого руху під внутр. енергію газу здійснюється в звичайному газодинаміці за рахунок зіткнень. Однак, якщо хвиля бесстолкновітельная, т. Е. Товщина її фронту істотно менше довжини вільного пробігу, то що ж забезпечує необхідну дисипації, без к-рій неможлива така трансформація енергії? Виявляється, що за фронтом Б. у. в. в плазмі присутні інтенсивні коливання щільності, магн. поля та ін. параметрів, і саме на ці коливання доводиться осн. частка внутр. енергії плазми. Походження таких коливань далеко не завжди пов'язане з нестійкістю, це можуть бути також нелінійні коливання в формі т. Зв. відокремлених хвиль, або солитонов, що утворюються завдяки специфічним дисперсійним св-вам плазми, внаслідок яких брало дисперсійне розпливання хвильових пакетів здатне обмежувати нелінійне у до р у ч ен і е (т. е. збільшення крутизни фронту хвилі) і перекидання хвильового фронту (див . дисперсія хвиль ).

Мал. 1. укрученія і перекидання хвильового
фронту в нелінійній середовищі.

Ефект нелінійного укрученія, добре відомий з газодинаміки, полягає в тому, що ділянки хвильового профілю з більшою амплітудою обурення, к-рим відповідають великі швидкості руху, прагнуть випередити ділянки з меншою швидкістю і в кінці кінців відбувається перекидання профілю швидкості (рис. 1). Мовою Фур'є-аналізу нелінійне укрученія означає народження вищих гармонік з великими значеннями хвильового числа k. Якщо відсутня дисперсія фазової швидкості, т. Е. Швидкості різних гармонік збігаються, то нелінійне укрученія може бути зупинено тільки диссипацией, зростаючої зі збільшенням хвильового числа, т. Е. В'язкістю. При наявності дисперсії фазової швидкості утворюються за рахунок нелінійності вищі гармоніки "відриваються" від осн. хвилі: обганяють її або відстають в залежності від того, росте або убуває швидкість з ростом хвильового числа. В результаті ще до перекидання і освіти розриву хвиля може розпастися на окремі нелінійні хвильові пакети в формі солітонів. Характерний розмір (ширина) солітону збігається, природно, з дисперсійним просторовим розміром l дисп, тобто з довжиною хвилі, на к-рій стає істотною дисперсія фазової швидкості. Для іонно-звукових солнтонов в плазмі без магнітного. поля це дебаевскнй радіус ( ), Для магнітозвукових солитонов, що поширюються строго поперек магнітного. поля, це глибина скін-шару з / w0е; для т.зв. косих магнітозвукових солитонов ,. поширюються під кутом Q до магн. полю, розмір солітону збільшується до c Q / w0i (в наведених ф-лах w 0е, w0i - відповідно електронна і іонна ленгмюровских частоти , Т, n0 - темн-ра і щільність плазми, е - заряд електрона).

Мал. 2. Зміна параметрів (щільності n,
магнітного поля Н) в бесстолкновітельной
ударної хвилі з осциляторних структурою
(Випадок середовища з негативною дисперсією);
u - швидкість ударної хвилі;
u0 - необуреним швидкість звуку.

Мал. 3. Зміна параметрів в
бесстолкновітельной ударної хвилі,
розповсюджується в середовищі
з позитивною дисперсією
(Позначення див. На рис. 2).

Суперпозиція солитонов утворює фронт Б. у. в. з осциляторних структурою. Окремий солітон виникає на грі тільки двох факторів - нелінійність і дисперсії в умовах, коли диссипация не грає ролі. Тому солітон описує оборотні руху плазми - стан плазми до і після проходження хвилі одне і те ж. Для виникнення незворотного стрибка параметрів, характерного для ударної хвилі, необхідна диссипация енергії. В бу. ст.- це колективна диссипация енергії плазмових коливань, що існують за фронтом Б. у. в. Тут також можливі два варіанти. У ламінарної Б. у. в. диссипация зазвичай обумовлена ​​резонансним поглинанням енергії хвиль частинками (див. Ландау загасання ). В турбулентної Б. у. в. істотні нестійкості, що розвиваються на фронті хвилі. Причини неустойчивостей можуть бути самими різними. Струмова швидкість електронів, пов'язана зі стрибком магн. поля в солітон, може перевищити поріг іонно-звукової нестійкості, можлива також параметричну нестійкість регулярних коливань магнітного. поля та ін. (див. нестійкості плазми ). Для досить сильних ударних хвиль виникає відображення іонів від області макс. поля на гребені хвилі і розвивається нестійкість зустрічних іонних потоків. У будь-якому випадку в результаті розвитку нестійкості плазма переходить в турбулентний стан. Зворотний вплив турбулентності на частинки призводить до колективної релаксації нестійкого стану, при к-ром енергія регулярних коливань за фронтом ударної хвилі трансформується в турбулентні пульсації і в теплову енергію плазми (див. плазмова турбулентність ). Довжина, на к-рій відбувається колективна диссипация регулярних коливань l діссіп, визначає повний розмір перехідної області (фронту) в Б. у. в., в той час як розмір окремих осциляції визначається дисперсійної довжиною l дисп. Структура осциляції на рис. 2 відповідає т. Н. середах з негативною дисперсією, коли швидкість руху солітону росте з його амплітудою (гравитац. хвилі на воді, а в плазмі - іонно-звукові хвилі і поширюються строго поперек магнітного. поля магнітозвукових хвилі). У цьому випадку найбільший солітон біжить попереду, а осциллирующий "хвіст", утворений Солітони меншої амплітуди, залишається у заднього краю фронту. Осциляції, показані на рис. 3, відповідають середах з позитивною дисперсією, коли швидкість руху солітону зменшується з ростом його амплітуди (приклад - т. Зв. Косі магнітозвукових хвилі в плазмі). В цьому випадку осциллирующий "хвіст" знаходиться в передній частині фронту ударної хвилі.

Мал. 4. Структура ударної хвилі земної
магнітосфери при майже перпендикулярній
орієнтації магнітного поля Н (в гамах,
1g = 10-5 Е) щодо нормалі
до фронту хвилі.

Велика частина спостережень Б. у. в. відноситься до сонячному вітру, взаимодействующему із земною магнітосферою. Досліджено також ударні хвилі, які утворюються при обтіканні сонячним вітром Венери, Марса, Юпітера. Виявлено велику різноманітність структур - від вкрай вузькій квазіпоперечной ударної хвилі до істотно більш широких "косих" і квазіпродольних ударних хвиль. У всіх цих випадках є цілком задовільний згоду з викладеною вище теорією Б. у. в. Структура ударної хвилі, типова для земної магнітосфери (рис. 4), була встановлена ​​в результаті вимірів профілю магн. поля двома супутниками "ISEE-A, В" (США, 1977 г.) при перетині ними фронту ударної хвилі. Структура відповідає досить сильною ударну хвилю в разі квазіпоперечного поширення (нормаль до фронту майже перпендикулярна магн. Полю). Фронт ударної хвилі досить вузький, D> 30 -100 км, що менше або порівняно з іонним дисперсионной довжиною c / w0i. Ширина окремого солітону також порядку D. Число Маха в ударній хвилі МА (відношення швидкості плазми сонячного вітру перед фронтом до альвеновской швидкості) дуже велике (> 5), і тому на фронті ударної хвилі має місце сильне зростання напруженості магн. поля - від 15 g перед фронтом до 50-55 g в першому солітон. Пор. значення магн. поля за фронтом в області осциляторних структури приблизно в 2 рази менше максимуму поля в першому солітон. Всі ці особливості структури характерні для розглянутої вище Б. у. в. в середовищі з отрицат. дисперсією (нелінійна магніто-звукова хвиля при майже перпендикулярному поширенні).

Зростання магн. поля супроводжується стисненням плазми сонячного вітру, а також термалізація енергії її спрямованого руху. Темп-pa плазми зростає до дек. млн. градусів. Рух плазми за фронтом ударної хвилі стає дозвуковим. Як правило, так і структура ударної хвилі магнітосфери може відчувати значить. флуктуації в залежності від параметрів плазми сонячного вітру, орієнтації міжпланетного магнітного. поля, положення фронту хвилі щодо лінії Сонце - Земля і ін. При цьому поряд з розглянутої вище вузької структурою квазіпоперечной ударної хвилі можуть спостерігатися істотно ширші структури "косих" ударних хвиль, товщина фронту яких брало порядку або більше c / w0i.

Мал. 5. Типовий профіль магнітного
поля Н в "косою" міжпланетної ударної хвилі.

Структура Б. у. в. спостерігалася також в плазмі сонячного вітру (міжпланетні ударні хвилі). На рис. 5 показаний типовий профіль магн. поля на фронті "косою" міжпланетної ударної хвилі (кут між напрямком магнітного. нуля і нормаллю до фронту хвилі J> 60o). Ця слабка ударна хвиля (зростання магн. Нуля на фронті> 80%) також була виявлена ​​супутниками "ISEE-A, В" на відстані приблизно 15 земних радіусів. Відповідно до викладеного вище теоретич. уявленнями осциляторний структура знаходиться перед фронтом "косою" ударної хвилі. Розмір окремої осциляції D> 90 км, що відповідає величині 2 c / w0i. Як показують дослідження, велике значення відносини газокінетичний тиску до магнітного 8 pp / H02> 3 сприяє додаткової стійкості йде вперед осциляторних структури.

Мал. 6. Частоти f коливанні електричного поля в околиці
ударної хвилі юпитерианской магнітосфери;
t - час перетину ударної повні КА "Вояджер".

Вище зазначалося, що механізм дисипації, що приводить до загасання регулярних осциляції магн. поля, в Б. у. в. має "колективну" природу. За існуючими уявленнями, для космічних. Б. у. в. найбільш істотною виявляється диссипация, обумовлена ​​аномальним опором, що виникає в результаті розвитку іонно-звукової нестійкості. Через великі градієнтів магн. поля на фронті ударної хвилі розвивається інтенсивна іонно-звукова турбулентність. Вимірювання, проведені на КА, які перетинають ударну хвилю, вельми переконливо підтвердили цю точку зору. Як приклад на рис. 6 показаний спектр коливань електричні. поля, знятий КА "Вояджер" (США, 1979 г.) при перетині ним ударної хвилі магнітосфери Юпітера. Видно різкий сплеск низькочастотних коливань електричні. поля на фронті ударної хвилі. Частоти цих коливань обмежені зверху іонної ленгморовской частотою w 0i. Вони ідентифікуються, як іонно-звукові коливання, досить повільно затухаючі при видаленні від фронту у напрямку до планетної магнітосфері. Такий же сплеск низькочастотних коливань електричні. поля спостерігався на фронті ударної хвилі земної магнітосфери. Взагалі хвильові явища в околиці юпитерианской і земної ударних хвиль в великій мірі аналогічні. В обох випадках, напр., Спостерігалося порушення перед фронтом ударної хвилі плазмових коливань на електронній ленгмюровских частоті. Механізм збудження - пучкова нестійкість, що розвивається в результаті взаємодії з плазмою сонячного вітру потоків швидких (десятки кеВ) електронів, прискорених в напрямку магн. поля турбулентністю на фронті ударної хвилі.

Слід підкреслити, що проблема прискорення заряджених частинок ударними хвилями вельми важлива для астрофізики. У міжзоряному середовищі сильні ударні хвилі утворюються в результаті вибухових явищ (спалаху нових зірок , наднових зірок ), А також від зоряного вітру - швидких (зі швидкостями до 3000 км / с) потоків плазми з атмосфер зірок. Прискорення частинок космічних. променів такими ударними хвилями може виявитися досить ефективним.

Літ.:
Сагдеев Р. 3., Колективні процеси і ударні хвилі в розрідженій плазмі, в сб .: Питання теорії плазми, в. 4 М., 1964, с. 20;
Карпман В. І., Нелінійні хвилі в диспергирующих середовищах, М., 1973;
Арцимович Л. А., Сагдеев Р. 3., Фізика плазми для фізиків, М., 1979.

(В.Д. Шапіро)