ИССЛЕДОВАНИЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ КЕЛЬВИНА-ГЕЛЬМГОЛЬЦА ДЛЯ ПОТОКА ПЛАЗМЫ ОГРАНИЧЕННОГО В ПРОСТРАНСТВЕ

Т.М. Буринская, М.М. Шевелев

 

Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца (К-Г) является одной из сильнейших неустойчивостей гидродинамического типа и ее исследованию посвящено огромное число работ. Однако в подавляющем большинстве работ исследуется устойчивость плоской граничной поверхности между двумя движущимися одна относительно другой плазмами. В реальной ситуации поперечные размеры плазменных потоков ограничены, а окружающая поток плазма может быть неоднородной. Очевидно, что для исследования процессов генерации колебаний с длинами волн, существенно превышающими поперечные размеры потока, необходимо рассмотреть возможности развития неустойчивости К-Г для ограниченного потока плазмы. В представленных на конкурс работах проводится исследование магнитогидродинамической неустойчивости К-Г с учетом сжимаемости плазмы как в плоской трехслойной геометрии, так и для случая цилиндрического потока. Показано, что колебания с длинами волн порядка или больше толщины потока, распространяющиеся вдоль скорости потока, могут нарастать даже при нулевой температуре в отличие от обычно рассматриваемого случая двух плазм, когда существует область углов относительно потоковой скорости, генерация колебаний в которой возможна только при условии, что (-скорость звука, -относительная скорость потоков).

Для случая плоской трехслойной системы выведено общее дисперсионное уравнение при произвольной ориентации магнитных полей и скоростей потоков в слоях. Показано, что колебания, возбуждаемые в диапазоне углов вблизи вектора скорости потока, существуют в ограниченном диапазоне волновых чисел даже без учета конечной ширины переходной области между потоком и окружающей плазмой, причем в низкотемпературной плазме решения дисперсионного уравнения, приводящие к смещениям граничных поверхностей потока типа змейки, имеют значительно более высокие инкременты, чем решения, приводящие к квазисимметричным, типа перетяжек, деформациям границ потока. Построены структуры собственных мод, которые при низких температурах имеют осцилляторно-затухающий характер.

Исследовано дисперсионное уравнение для неустойчивости К-Г в цилиндрической геометрии. В приближении несжимаемой плазмы построена диаграмма устойчивости системы в зависимости от величин магнитных полей и отношения плотностей плазмы в потоке и в окружающей среде. Численные решения дисперсионного уравнения для случая сжимаемой плазмы показали, что для малых скоростей ионного звука, , инкременты возбуждения осесимметричной моды колебаний с значительно меньше инкрементов мод, не обладающих осевой симметрией. Построены структуры собственных мод, которые для несжимаемой плазмы монотонно затухают при удалении от потока, а в плазме с конечной температурой затухание носит осцилляторный характер, при этом, чем ниже температура плазмы, тем большая область внешней плазмы оказывается возмущенной.

Обсуждается возможность использования полученных результатов для объяснения механизма генерации ультранизкочастотных длинноволновых колебаний, распространяющихся вдоль магнитного поля в пограничной области плазменного слоя хвоста магнитосферы Земли, одновременно с прохождением высокоскоростных потоков плазмы.

 

-Т.М. Буринская, М.М. Шевелев, Ж.-Л. Рош , 'Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца для ограниченного потока плазмы в продольном магнитном поле' ,Физика плазмы, 2011, Т. 37, ?1, стр. 46-59

-М.М. Шевелев, Т.М. Буринская, 'Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца для цилиндрического потока плазмы с произвольной температурой', Физика плазмы, 2011, в печати