книги из ГПНТБ / Альперт, Я. Л. Волны и искусственные тела в приземной плазме

развивающимся в последнем десятилетии. Одна из них относится к изучению эффектов, возникающих в окрестности движущихся тел, обтекаемых плазмой. Вторая — к исследованию волновых процес­ сов в приземной плазме—ионосфере, магнитосфере—и в солнечном ветре.

В первой (вводной) главе приведены некоторые данные, теоре­

щих исследований. Из-за ограниченного объема книги здесь не рассмотрены попытки теоретического объяснения многих из на­ блюденных явлений.

Табл. 3. Рис. 90. Библ. 191 назв.

© Издательство «Наука», 1974 г.

20402-036 А 053 (01)-74 128-74

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящий очерк был написан для Handbuch der Physik. Имея в виду сжатость изложения — выполнение требования, которому должна удовлетворять статья для энциклопедии — я должен был отобрать основные и на­ иболее интересные результаты, полученные в новых обла­ стях физики плазмы, быстро развившихся в последнем десятилетии. С одной стороны, важно осветить резуль­ таты, имеющие достаточно завершенный, непреходящий характер, которые сохранят свое значение и будут исполь­ зованы в будущих исследованиях. С другой стороны, естественно, необходимо стремиться представить совре­ менные, можно сказать, последние достижения. Именно этими соображениями была продиктована целесообраз­ ность опубликования этого обзора в виде отдельной кни­ ги в серии «Проблемы современной физики».

В первой главе приведены некоторые данные, теоре­ тические результаты и формулы, которые используются при рассмотрении различного типа волновых явлений, происходящих в ионосфере, магнитосфере, солнечном ветре. Вторая глава содержит основные эксперимен­ тальные и теоретические результаты, полученные при изучении обтекания тела плазмой. Здесь превалирует теория над экспериментом, что определяется состоя­ нием развития этих исследований. По-видимому, можно быть уверенным, что результаты, приводимые в этой главе, сохранят свое значение в будущем. При написании третьей главы возникла наиболее трудная задача. Ли­ тература непрерывно пополняется результатами иссле­ дований волновых процессов, начиная от ближней к Земле части плазмы — областей ионосферы высотой в 200— 300 км и выше — до расстояний от Земли в миллион километров, в солнечном ветре. Хороших эксперименталь-

8 ПРЕДИСЛОВИЕ

ных работ с новыми интересными результатами много. Делается множество попыток теоретического их объясне­ ния. Однако большинство теоретических работ послед­

отсутствием необходимой совокупности исходных экспе­ риментальных данных, сложностью решаемых задач, тре­ бующих часто исследования нелинейных уравнений, точ­ нее говоря, нахождения адекватных нелинейных меха­ низмов происходящих процессов. Поэтому большая часть теоретических работ носит методический, иногда спеку­ лятивный характер. В них не решаются задачи «в лоб», как это требуется для количественного, однозначного объяснения экспериментальных данных. Вместе с тем, большинство известных экспериментальных данных при ближайшем рассмотрении укладывается в рамки хорошо изученных в линейной теории плазмы явлений, частич­ но описанных кратко в первой главе. Ввиду ограничен­ ного объема этого очерка и указанного состояния теории, представлялось целесообразным рассмотреть в третьей главе только основные результаты разнообразного типа экспериментов. Они характеризуют во всем диапазоне

Пользуюсь случаем поблагодарить А. В. Гуревича, вни­ мательно прочитавшего рукопись книги, за ряд замечаний и Л. П. Питаевского за обсуждение отдельных вопросов. Я также благодарен Н. И. Будько, А. П. Дубовому, А. М. Москаленко за некоторые замечания и Л. И. Будько и В. Л. Морозовой за помощь в оформлении рукописи.

ВВЕДЕНИЕ

В современной физике плазмы после запуска искус­ ственных спутников Земли и космических ракет сформи­ ровались и развиваются в нарастающем темпе два новых направления. Одно из них связано с изучением эффек­ тов взаимодействия тел с приземной и межпланетной плаз­ мой, которую тела пересекают при своем движении.

с набегающими потоками частиц.

Запуск искусственных тел в околоземное и космическое пространство в некотором смысле создал ситуацию, ана­ логичную той, которая имела место в механике сплошных сред после изобретения самолетов. Подобно тому, как развитие авиации потребовало изучения аэродинамики обтекания тел сжимаемым газом, искусственные спутники в околоземном и космическом пространстве привели к изу­ чению кинетики обтекания тел плазмой. Эффекты, возни­ кающие вокруг движущихся в плазме тел, не являются определяющими для их движения, как, например, при движении самолета, так как силы трения искусственных спутников и космических ракет с плазмой невелики. Однако эти явления, во-первых, представляют значитель­ ный самостоятельный интерес, так как отличаются рядом особенностей, имеющих общее значение для физики плаз­ мы; во-вторых, их изучение важно для правильной постанов­ ки и интерпретации многих экспериментов, которые ста­ вятся на космических объектах при использовании их как лаборатории для изучения свойств окружающей

среды.

С другой стороны, возможность постановки прямых измерений, можно сказать лабораторного типа, в призем­ ной и межпланетной плазме привела к непосредственному

10 ВВЕДЕНИЕ

изучению происходящих в ней волновых процессов. В лабораторных условиях создание плазмы со столь широ­ ким диапазоном физических параметров, как это имеет место в естественной плазме, практически невозможно осу­

плазмы. Он позволяет определять основные величины, характеризующие ее состояние в тех случаях, когда удается идентифицировать результаты измерений с теоре­ тическими данными. Например, определять тип наблюдае­ мых волн, характер их возбуждения и т. п. При этом, если волновые процессы изучаются с помощью приборов, устанавливаемых на самих движущихся телах (спутни­

электронов) или излучаемых им электромагнитных волн (радиоволн).

Таким образом, оба указанных выше направления современной физики плазмы во многих отношениях связа­ ны между собой. Их также объединяет единство теорети­ ческих методов, применяемых при решении различных задач. В большинстве случаев для этого главным образом используется кинетическая теория газов.

В вопросах, о которых идет речь в этой книге, мы сталкиваемся в основном с сильно разреженной намагни­ ченной плазмой. Длины пробега частиц здесь намного больше характерных размеров тела и очень часто много больше длин волн наблюдаемых колебаний. Соответствую­ щие уравнения пишутся в фазовом пространстве частиц. Решаемые задачи существенно сложнее задач гидродинами­ ки и отличаются от них. Основная их особенность состоит в необходимости учета влияния электрического и магнитного поля. В теории появляются три новых параметра, имеющих размерность длины: дебаевский радиус D и ларморовские радиусы ионов и электронов ря, и ря<>. Характер обтека­ ния тела плазмой, а также спектры и типы ожидаемых в цей