Одним из фундаментальных свойств любых систем — природных или созданных человеком, является их устойчивость или неустойчивость, т. е. способность сохранять или не сохранять свое функционирование (состояние) в течение длительного промежутка времени при наличии неизбежных внутренних (например, тепловых флуктуации) или внешних небольших воздействий. Если система неустойчива, то спустя некоторое время она либо гибнет, либо переходит в некое устойчивое состояние, и тогда говорят о самоорганизации 2). Плазма обладает огромным числом степеней свободы и поэтому практически всегда проявляет тенденцию к самоорганизации, что в существенной степени связано с дальнодействием электромагнитного взаимодействия частиц плазмы друг с другом. В конечном счете, вся драматическая, более чем пятидесятилетняя, история работ по управляемому термоядерному синтезу есть в большей степени борьба с самоорганизацией плазмы. Но даже если получающаяся ПДС более или менее соответствует расчётной схеме, она всегда "шумит". И это не только в лабораторных, но и в природных плазменных системах. Яркий пример тому — Солнце. Казалось бы шар и все. Но гигантская корона, огромные пятна, протуберанцы — все это результат самоорганизации ПДС, которую извне ничто "не трогает". х) Обзоры большого числа линейных неустойчивостей см. в [190] и [191]. 2) В последние десятилетия пытаются создать общую науку о самоорганизации, названную "синергетикой". 14 А. И. Морозов 418 Гл. 8. Неустойчивости и самоорганизация плазмодинамических систем Итак, плазмодинамические системы, практически всегда полны самоорганизую- щихся движений — "шумов" во всем диапазоне масштабов от размера системы (L) и до дебаевского радиуса (го). td < АЭф < L. Здесь АЭф — пространственный масштаб "колебаний". При этом структуры колебаний, как правило, весьма вычурны, нелинейны и чувствительны к вариациям внешних условий. Понятие "самоорганизация" весьма адекватно отражает важнейшее свой- ство плазменных систем. Поэтому "подстроиться" под плазменный "нрав" и создать устройство, выполняющее нужную работу, всегда очень трудно. Термином "колебания", которым обычно пользуются, хотя он во многом неадеква- тен сути, будем пользоваться и мы. В существенной степени он идет от начальной стадии теоретических исследований плазменных систем, когда изучались только линейные возмущения систем. При этом особое внимание уделялось поиску нарас- тающих во времени возмущений, т.е. неустойчивости плазменных конфигураций. Постоянно круг исследуемых возмущений расширялся. Большое внимание стали уделять нелинейным возмущениям, и тогда появился термин "коллективные процес- сы". Его также с трудом можно принять, так как в любой сплошной среде подав- ляющая часть процессов носит коллективный характер и не связана со спецификой плазмы и ее возмущений. Но оставим эту терминологическую дискуссию и перейдем к сути дела. Колебания (включая сюда и процессы самоорганизации) можно несколько условно разбить на три группы. В первую группу мы включим колебания с характерным масштабом где L — определяющий размер плазменного образования в целом. Эти колебания будем называть крупномасштабными или, в соответствующих случаях — низкоча- стотными. В третью группу включим колебания с масштабами А3 ~ A-10)тах(г?>,ре)- Здесь ре — характерный ларморовский радиус электронов, а гд - радиус Дебая. Колебания этой группы будем называть мелкомасштабными или — высокочастот- ными. Частоты этих колебаний лежат обычно в диапазоне > 0,1 —1000 ГГц. Они генерируются за счет различных "пучковых неустойчивостей" или трансформации волн (см. ниже). Наконец вторая группа колебаний, масштабы которых лежат в интервале А3 <А2 < Аь мы будем называть колебаниями средних масштабов. Они обычно сами по себе не играют большой роли, но могут быть связующим звеном между крупно- и мелкомас- штабными колебаниями. Ниже мы остановимся только на первой группе колебаний. Это объясняется тем, что колебания второй группы обычно весьма индивидуальны, а примеры колебаний третьей группы рассматривались в главах 3 и 6. Крупномасштабные колебания должны, как правило, рассчитываться совместно с "основной" конфигурацией, поскольку они быстро переходят на нелинейный уро- вень, превращаясь в самоорганизованные динамические структуры, чувствующие граничные условия и характер системы в целом. Примером могут служить резуль- 8.1. Гидродинамические и плазменные неустойчивости 419 таты численных расчётов гибридной одномерной модели СПД, о котором говорилось в разделе 6.7. Однако, несмотря на большую степень индивидуальности многих крупномасштабных неустойчивостей, есть среди них ряд достаточно универсальных, некоторые из которых мы здесь отметим. Эти "универсальные" неустойчивости можно разбить на две группы: "неспе- цифические" и "специфические". В первую группу входят такие неустойчивости, которые слабо связаны со спецификой плазмы и проявляются в других средах. Такова, например, термическая (или джоулева) неустойчивость, которая возникает в любой среде — твёрдой, жидкой, газообразной, если ее проводимость возрастает с температурой. Такого рода неустойчивости мы рассмотрим в первую очередь. А затем остано- вимся на неустойчивостях специфических для плазмы.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Особенности плазменных неустойчивостей» з дисципліни «Введення в плазмодінаміку»
