Диссипативная неустойчивость аэрозольного потока в плазме планетных атмосфер В.С. Грач Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород. - презентация

1 Диссипативная неустойчивость аэрозольного потока в плазме планетных атмосфер В.С. Грач Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

2 Пылевая (аэрозольная или комплексная) плазма: крупные заряженные частицы субмикронного и микронного размера (пылевая, или аэрозольная компонента) нейтральный газ, электроны и ионы + Зарядка крупных частиц дополнительный нестационарный процесс; Заряд динамическая переменная задачи Пылевая плазма широко распространена в космосе, различных областях атмосферы Земли, изучается в лабораторных условиях Коллективные явления с новыми пространственными и временными масштабами, в том числе пылезвуковая волна (dust-acoustic wave)

3 Предпосылки для изучения развития неустойчивостей аэрозольных потоков (в первую очередь неустойчивостей пылевого звука) в естественных средах: Природа ячеек тонкой структуры электрического поля в грозовом облаке ( [Трахтенгерц В.Ю.,1989.] ) Природа неоднородностей электронной концентрации в мезосфере Земли, вызывающих Летнее полярное мезосферное эхо ([ Rapp, Lubken, 2004], [Trakhtengerts, 1994]. ) Возможная тонкая структура электрического поля в атмосферах планет земной группы.

4 Аэрозольные (пылевые) частицы в слабоионизованной столкновительной плазме: Низкие температуры : T

5 Скорости аэрозолей: Гравитационное падение тяжелых частиц в нейтральном газе: плотная среда разреженная среда Для разреженных сред: - вязкость нейтрального газа - концентрация нейтрального газа - плотность аэрозолей - эффективная частота соударений - скорость аэрозолей относительно нейтрального газа

6 Зарядка крупных частиц: «Тепловая» зарядка (движение ионов и электронов определяется тепловыми скоростями): Зарядка сверхтепловыми электронами Зависимости от радиуса: Обратное время зарядки:

7 Разброс размеров крупных частиц: Монодисперсный ансамбль: Распределение Гаусса: Степенное распределение:

8 В системе отсчета, связанной с нейтральным газом : Стационарная система :

9 Дисперсионное уравнение : Для процессов ~ exp(-i t+ikr), E 0 =0 где - характеризует потери ионов и электронов на аэрозолях - обратное время зарядки; - эффективная частота соударений - коэффициенты диффузии (временная эволюция квазистатических электрических возмущений) - проводимости

10 Порог неустойчивости: - пороговое значение (решение дисперсионного уравнения при (Im =0)). - плазменная частота аэрозолей Идеальный случай ( нет разброса, зарядки, ионной диффузии ): p 2 определяется в основном соотношением между ионной диффузией и относительной скоростью. Реально: Имеет минимум по волновым числам (оптимальные масштабы) - эффективная частота соударений [Трахтенгерц В.Ю.// ДАН ]

11 Среды: Атмосфера Земли Атмосфера Марса Ионосфера Титана Высоты км (азот, T~120 K) Тяжелые ионные кластеры H(H 2 0) n Аэрозоли (лёд) a~100 нм g=9,8 м/с 2 Высоты км (углекислый газ, T~130 K ) Пылевые частицы a~1 мк g=3,71 м/с 2 Высоты км (азот, T~170 K ) Аэрозоли (лёд кислот HC n N) a~50 нм g=1,35 м/с 2

12 Атмосфера Земли ( высоты км ): Модельные распределения: заряд от фоновых электронов Параметры: Оптимальные масштабы: Разброс размеров приводит к значительному повышению порога, увеличению оптимальных масштабов и качественному изменению зависимостей от параметров, определяющих скорость аэрозолей. (без разброса) Разброс размеров приводит к значительному повышению порога, увеличению оптимальных масштабов и качественному изменению зависимостей от параметров, определяющих скорость аэрозолей. (разброс)

13 Атмосфера Земли ( высоты км ): Модельные распределения: Параметры: Оптимальные масштабы: Порог имеет минимум в зависимости от параметров, определяющих относительную скорость, и уменьшается с уменьшением ионной диффузии. (без разброса) (разброс)

14 Атмосфера Марса ( высоты км ): Модельные распределения: заряд от фоновых электронов Параметры: Оптимальные масштабы: (без разброса) (разброс)

15 Ионосфера Титана ( высоты км ): Модельные распределения: заряд от фоновых электронов Параметры: Оптимальные масштабы: ( разброс ) (без разброса)

16 ВЫВОДЫ: Постоянное электрическое поле может увеличить относительные скорости ионов и аэрозолей, но его присутствие может кардинально изменить процесс зарядки. 1. Влияние разброса размеров крупных частиц на свойства неустойчивости более существенно, чем влияние инерционности процессов зарядки. 2. Учет разброса размеров приводит к значительному повышению пороговых значений зарядов на аэрозолях, увеличению оптимальных масштабов и качественному изменению зависимостей от параметров среды (появляется минимум в зависимостях от параметров, определяющих скорость аэрозолей). 3. Условия достижения порога неустойчивости достаточно жесткие во всех рассмотренных областях параметров. Другие факторы :