Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Математическая физика

Диссертационная работа:

Оводков Денис Александрович. Динамика заряженных частиц в токовых слоях бесстолкновительной плазмы магнитосферы Земли : диссертация... кандидата физико-математических наук : 01.01.03 Москва, 2007 97 с. РГБ ОД, 61:07-1/971

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ З

1 СТРУКТУРА ТОКОВОГО СЛОЯ В ХВОСТЕ МАГНИ
ТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
8

  1. Введение 8

  2. Основные свойства тонких токовых слоев 10

  3. Математические модели магнитосферного хвоста 11

  4. Двойные токовые слои 12

  5. Динамика заряженных частиц в ТТС. Общие сведения ... 13

  6. Основные тины траекторий заряженных частиц в ТТС ... 15

  7. Выводы 16

2 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ЧАСТИЦ
В РАСЩЕПЛЕННЫХ ТОКОВЫХ СЛОЯХ
18

  1. Введение 18

  2. Постановка задачи. Математическая модель 18

  3. Общие свойства движения заряженных частиц в магнитном поле 23

  4. Скачок адиабатического инварианта 28

2.5 Численное моделирование 30

2.G Результаты численного моделирования 32

2.7 Выводы 43

3 ДИНАМИКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В МАГНИТО
СФЕРЕ ЗЕМЛИ С ОБЛАСТЬЮ НЕОДНОРОДНОСТИ
ПОРЯДКА ИОННОГО ЛАРМОРОВСКОГО РАДИУСА
48

  1. Введение 48

  2. Вычисление квазиадиабатического инварианта 49

  3. Скачки адиабатического инварианта 57

  4. Сечения Пуанкаре 60

  5. Эффективное значение параметра адиабатичиости 63

  6. Выводы 64

4 ДИНАМИКА ИОНОВ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ С
ОБЛАСТЬЮ НЕОДНОРОДНОСТИ МНОГО БОЛЬШЕ
ЛАРМОРОВСКИХ РАДИУСОВ ВРАЩЕНИЯ
66

  1. Введение 66

  2. Вывод формулы скачка магнитного момента в двойных токовых слоях 67

  3. Механизм рассеивания магнитного момента в двойных токовых слоях 78

  4. Условия захвата заряженных частиц 84

  5. Выводы 85

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 86

ЛИТЕРАТУРА 90

Введение к работе:

Актуальность темы.

Исследование явлений, происходящих в хвосте магнитосферы Земли, занимает важное место в космической физике. Спутниковые данные свидетельствуют о том, что в хвосте магнитосферы могут образовываться тонкие токовые слои (ТТС) с характерным масштабом порядка ионного лар-моровского радиуса, выполняющие роль резервуаров энергии солнечного ветра, которая может запасаться и взрывным образом высвобождаться во время геомагнитных возмущений - суббурь. ТТС могут иметь сложную внутреннюю структуру, например, два максимума плотности тока (так называемые расщепленные, или бифурцированные ТТС), несимметричные профили плотности тока и магнитного поля. По своим динамическим свойствам это токовые слои являются метастабильными, т.е. могут существовать в течение достаточно долгого промежутка времени, сопоставимого с фазой геомагнитного возмущения, а потом взрывным образом разрушаться. Структура и динамика тонких токовых слоев (ТТС) в бесстолкнови-тельной плазме изучаются в рамках кинетической теории, где движение разных групп частиц определяет свойства токового слоя как целого. Процессы хаотического рассеяния частиц в ТТС, исследуемые в настоящей работе, могут играть ключевую роль как в формировании ТТС, так и в их разрушении во время геомагнитных возмущений, поэтому их моделирование является актуальной задачей.

Цель работы

Целью работы является получение аналитических и численных оценок динамики заряженных частиц в бифурцированных тонких токовых слоях (с масштабом неоднородности порядка ионного ларморовского радиуса) в бесстолкновительной магнитосферной плазме, а также исследование влияния геометрии токового слоя на коллективное движение плазмы.

Задачи исследования

  1. Построение модели взаимодействия заряженных частиц с токовым слоем, позволяющей с единых позиций рассматривать как классические токовые слои (ТС) (с "колоколообразным" профилем плотности тока), так и бифурцированные ТС, обнаруженные относительно недавно в магнитосфере Земли.

  2. Создание комплекса программ, позволяющего проводить эффективный численный анализ анализ динамики как отдельных частиц так и ансамблей частиц в "бифурцированных" токовых слоях.

  3. Получение аналитических оценок основных характеристик движения заряженных частиц в широком диапазоне изменения основных параметров токового слоя и ансамбля частиц.

Методы исследования

Основными методами математического моделирования, разработанными в данной диссертации, являются численные методы, реализованные в виде комплексов программ. В работе также получены аналитические оценки важных характеристик взаимодействия заряженных частиц с ТТС: скачков магнитных моментов и адиабатического инварианта Iz = ^- zdz.

Научная новизна.

Разработаны новые эффективные алгоритмы и комплексы программ, которые позволяют проводить эффективный анализ динамики частиц в ТТС. Использованы современные вычислительные средства, позволяющие значительно экономить компьютерные ресурсы, реализован удобный интерфейс пользователя. Проведено аналитическое исследование динамики частиц в бифурцированных токовых слоях. Получены аналитические формулы для скачков магнитных моментов частиц, являющиеся обобщением полученной ранее формулы для классических "колоколообразных" ТТС. Получено аналитическое выражение для адиабатического инварианта дви-

жения Iz. Результаты были подтверждены численными экспериментами и находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными, а также результатами других исследователей. Разработанные аналитические методы и численные алгоритмы позволяют с единых позиций проводить рассмотрение как "колоколообразных" так и бифурцированных ТС.

Теоретическая и практическая значимость.

  1. Предложена модель взаимодействия заряженных частиц (ионов) с ТС, позволяющая с единых позиций рассматривать динамику заряженных частиц в токовых слоях сложной конфигурации.

  2. Создан и реализован в виде комплекса программ алгоритм расчета траекторий частиц в магнитном поле, характерном для хвоста магнитосферы Земли.

  3. В численном эксперименте получены характеристики коллективной динамики частиц в широком диапазоне основных физических параметров. Оценено среднее время жизни частиц в слое, коэффициент прохождения слоя, рассеяние магнитного момента. Проведено численное моделирование динамики частиц с использованием сечений Пуанкаре.

  4. Разработан аналитический аппарат, позволяющий определять положения центров рассеяния магнитных моментов в бифурцированных токовых слоях произвольной конфигурации. Впервые получены аналитические выражения для скачков магнитных моментов ионов и адиабатических инвариантов движения в бифурцированных ТС.

  5. Предложен эффективный способ определения параметра адиабатич-ности, в полях с областью неоднородности порядка ларморовского радиуса частиц.

  6. Представленные в диссертации аналитические оценки позволяют получать качественную картину динамики частиц, без ресурсоёмких численных экспериментов на ЭВМ. Полученные формулы могут быть

использованы в теоретических исследованиях для построения более общих самосогласованных моделей магнитосферного хвоста Земли, а также для анализа данных, полученных со спутников.

Достоверность и обоснованность

полученных результатов подтверждаются

  1. Тестированием алгоритмов и комплексов программ на изученных ранее тестовых задачах.

  2. Совпадением полученных аналитических оценок и результатов прямого компьютерного моделирования.

  3. Хорошим согласием теоретических и численных результатов с результатами других исследовательских групп и экспериментальными спутниковыми данными.

Положения, выносимые на защиту

  1. Созданы эффективные алгоритмы и комплексы программ для моделирования нелинейной динамики заряженных частиц в бифурцирован-ных токовых слоях, характерных для хвоста магнитосферы Земли.

  2. В численных экспериментах методом сечений Пуанкаре впервые исследована динамика частиц в бифурцированных токовых слоях с масштабом неоднородности порядка ларморовского радиуса ионов. Численно и аналитически исследованы процессы рассеяния магнитных моментов заряженных частиц в бифурцированных токовых слоях с областью неоднородности много больше ионного ларморовского радиуса.

  3. Получены аналитические выражения для адиабатического инварианта Iz и скачков магнитных моментов при движении частиц в токовых слоев с профилями плотности тока произвольной формы, а также аналитические оценки, позволяющие находить центры рассеяния магнитных моментов.

Апробация работы

Диссертация выполнена в МГУ м М.В.Ломоносова. Результаты работы доложены на съездах, симпозиумах, конференциях:

The Second Workshop on Thin Current Sheets 19-21 April, 2004, College Park, Maryland

International conference on Problems of Geocosmos, May 24-28, 2004, St. Petersburg, Russia

Russian-Chinese Conference on Investigations of Space Plasma, 11-15 October 2005, Tsyndao, China.

Международный симпозиум EGO в Вене, Австрии 2005г.

7th International Symposium for Space Simulations (ISSS-7), 26-31 March 2005, Kyoto, Japan, Ed. Kyoto University, Kyoto, Japan.

Ломоносовские чтения. Москва, апрель 2006.

Выездной семинар ИКИ РАН, Таруса 2006.

Семинар НИИЯФ МГУ по космической электродинамике. Москва, 17 февраля, 2006.

Ломоносовские чтения. Москва, апрель 2006.

Конференция молодых ученых, ИКИ РАН, апрель 2006.

6-th international conference on Problems of Geocosmos, St. Petersburg, Russia, 23-27 May, 2006.

Семинар НИИЯФ МГУ по космической электродинамике. Москва, 9 марта, 2007.

Публикации

Основные результаты, полученные автором и изложенные в диссертации, опубликованы в работах, список которых приведен в конце автореферата. По материалам диссертации опубликована 3 научные работы и сделано 12

докладов на научных конференциях. Все результаты, полученные автором во время работы в составе научных коллективов, включены в диссертацию с согласия и одобрения соавторов.

Структура и объем диссертации.

Подобные работы
Антонова Елизавета Евгеньевна
Равновесие плазмы в магнитосфере Земли и ускорительные процессы в высоких широтах
Хименес Арсола Рейнель
Изучение плазмы в хвосте магнитосферы Земли и разработка эксперимента для дальнейших исследований
Безродных Иннокентий Петрович
Влияние крупномасштабных возмущений солнечного ветра на динамику энергичных электронов в магнитосфере Земли
Санников Иван Николаевич
Численное исследование динамики парового слоя вокруг горячей частицы и распространение волн сжатия в жидкости с дробящимися пузырьками
Русанов Алексей Александрович
Исследование физических процессов во внутренней магнитосфере Земли
Багаутдинова Гульназ Ришатовна
Исследование характеристик изотропных границ в магнитосфере Земли
Кирпичев Игорь Петрович
Характеристики распределения частиц в области каспа, внешней области кольцевого тока и ближнем плазменном слое магнитосферы Земли
Панов Евгений Валентинович
Изучение токовых слоев на границе магнитосферы Земли по данным четырех спутников кластер
Сизова Лилия Зядитовна
Закономерности роста и распада кольцевого тока в магнитосфере Земли
Борог Владимир Викторович
Исследование вариаций космических лучей в гелиосфере, магнитосфере и атмосфере Земли с помощью наземного широкоапертурного мюонного годоскопа

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net