Аспирантура
2019/2020
Физика турбулентной и пылевой плазмы
Статус:
Курс обязательный
Направление:
03.06.01. Физика и астрономия
Кто читает:
Факультет физики
Когда читается:
1-й курс, 1 семестр
Формат изучения:
без онлайн-курса
Преподаватели:
Попель Сергей Игоревич
Язык:
русский
Кредиты:
5
Контактные часы:
30
Программа дисциплины
Аннотация
Курс знакомит с основами современной физики турбулентной и пылевой плазмы. Затрагиваются фундаментальные понятия, а также современные концепции данной области исследований, к которым, в частности, относятся элементарные процессы; волновые и нелинейные эффекты; кинетическое и гидродинамическое описания; плазменно-пылевые жидкости, кристаллы, кластеры; фазовые переходы в пылевой плазме и т.д. Существенное внимание уделяется плазменным процессам в природе. Курс направлен на развитие умения на творческом уровне создавать и применять физические модели для решения и постановки задач физики турбулентной и пылевой плазмы. Изучаются специфические алгоритмы, инструменты и средства, необходимые для успешной научной деятельности в данной области исследований. Курс лекций рассчитан на слушателей, имеющих базовое образование в области физики, включающее развитые навыки в области теоретической физики.
Цель освоения дисциплины
- формирование у аспирантов профессиональных компетенций, связанных с использованием фундаментальных понятий, а также современных концепций в области физики турбулентной и пылевой плазмы;
- развитие умений, основанных на полученных знаниях, позволяющих на творческом уровне создавать и применять физические модели для решения и постановки задач физики турбулентной и пылевой плазмы
- получение аспирантами навыков самостоятельной исследовательской работы, предполагающей изучение специфических алгоритмов, инструментов и средств, необходимых для постановки и решения задач физики турбулентной и пылевой плазмы.
Планируемые результаты обучения
- Знание фундаментальных понятий и современных концепций физики турбулентной и пылевой плазмы; физических моделей физики турбулентной и пылевой плазмы; специфических алгоритмов, инструментов и средств, необходимых для постановки и решения задач физики турбулентной и пылевой плазмы.
- Умение создавать и применять физические модели для постановки и решения задач физики турбулентной и пылевой плазмы; применять полученные знания для анализа данных экспериментов по физике турбулентной и пылевой плазмы; анализировать разработанные алгоритмы и проведенные вычисления в области физики турбулентной и пылевой плазмы, оценивать эффективность алгоритмов и сопоставлять с модельными значениями.
Содержание учебной дисциплины
- Основы теории плазмыОпределение плазмы. Плазма – четвертое состояние вещества. Место плазмы в природе. Генерация плазмы. Коллективные явления и взаимодействия между частицами. Критерии для определения плазмы (квазинейтральность, дебаевское экранирование, плазменная частота). Виды плазмы в лаборатории и природе. Приложения физики плазмы. Кинетическая теория плазмы. Функция распределения. Кинетическое уравнение. Система уравнений Власова. Интеграл столкновений Ландау-Балеску. Роль флуктуаций. Гидродинамическое описание плазмы. Модель холодной плазмы. Модель теплой плазмы. Магнитная гидродинамика. Диэлектрическая проницаемость.
- Турбулентность и волновые процессы в плазмеОбщие представления о турбулентном состоянии вещества. Определение турбулентности. Статистическое описание турбулентности. Спектр турбулентных пульсаций несжимаемой жидкости. Линейные и нелинейные коллективные степени свободы плазмы. Продольные и поперечные волны в плазме. Плазменные неустойчивости. Электромагнитные, ленгмюровские и ионно-звуковые волны, дисперсия, затухание Ландау, вероятности излучения Вавилова-Черенкова. Квазилинейное уравнение. Метод коэффициентов Эйнштейна. Затухание плазменных волн из-за столкновений. Сильная и слабая турбулентность. Спектры турбулентности. Турбулентная плазма в лаборатории и природе. Механизмы возбуждения турбулентности. Взаимодействие пучков заряженных частиц с плазмой. Возбуждение турбулентности постоянным электрическим полем. Возбуждение турбулентности в неоднородной плазме. Дрейфовые неустойчивости плазмы. Возбуждение турбулентности электромагнитными волнами и лазерами. Механизмы генерации плазменной турбулентности в природе.
- Нелинейная физика плазмыРоль нелинейных эффектов в физике плазмы. Классификация нелинейностей плазмы. Распадные процессы в плазме. Распадные взаимодействия. Индуцированное рассеяние волн частицами плазмы. Пучковая неустойчивость, квазилинейная релаксация, нелинейная стабилизация. Аномальное сопротивление. Закон Ома в плазме в сильном электрическом поле. Модуляционное взаимодействие. Переход плазмы из состояния слабой в состояние сильной турбулентности. Уравнения Захарова. Модуляционная неустойчивость. Законы сохранения. Солитоны огибающей. Самосжимающиеся каверны. Коллапс ленгмюровских волн. Нелинейные волны. Метод сагдеевского псевдопотенциала. Солитоны произвольной амплитуды в плазме. Свойства солитонов. Ударные волны в сплошной среде. Бесстолкновительные ударные волны. Нелинейные волновые уравнения в физике плазмы (уравнение Кортевега-де-Фриза, нелинейное уравнение Шредингера, уравнение Кадомцева-Петвиашвили и др.).
- Плазменно-пылевые системы в лаборатории и природеПылевая или комплексная плазма? Особенности плазменно-пылевых систем. Образование и рост пылевых частиц. Плазменно-пылевой кристалл. Параметр неидеальности. Фазовые переходы и фазовые диаграммы. Плавление плазменно-пылевого кристалла в ударной волне. Эксперименты по пылевой плазме на Орбитальной станции «Мир» и Международной космической станции. Примеры плазменно-пылевых систем во Вселенной, Солнечной системе и околоземной плазме.
- Особенности описания плазменно-пылевых системЗарядка пылевых частиц. Влияние электромагнитного излучения. Кинетическое описание. Гидродинамическое описание. Волны в пылевой плазме. Аномальная диссипация. Нелинейные процессы. Новый вид ударных волн. Эксперименты по возбуждению ударных волн, обусловленных процессом зарядки пылевых частиц. Головная ударная волна при взаимодействии солнечного ветра с пылевой комой кометы. Слабозатухающие солитоны. Особенности модуляционного взаимодействия. Амбиполярная диффузия.
- Примеры моделирования плазменно-пылевых систем в природеПолярные мезосферные облака. Условия в мезосфере. Самосогласованная модель летней полярной мезосферы. Ионизационные свойства запыленной ионосферы. Формирование и эволюция серебристых облаков и полярных мезосферных радиоотражений. Будущие лунные миссии и исследование плазменно-пылевой системы у поверхности Луны. Имеющиеся наблюдения. Основные уравнения для описания окололунной пылевой плазмы. Распределения фотоэлектронов и пылевых частиц. Пылевая плазма в окрестностях других тел Солнечной системы.
Элементы контроля
- контрольная работа
- экзаменЭкзамен состоит из двух частей: ◦ теоретической, проводится в форме устной беседы по тематике дисциплины (30 мин.); ◦ практической, состоящей в решении задач по материалам курса. ◦ в билете на экзамене содержатся 2 устных вопроса и одна задача.
