Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ТУРБУЛЕНТНАЯ ДИФФУЗИЯ

ТУРБУЛЕНТНАЯ ДИФФУЗИЯ

ТУРБУЛЕНТНАЯ ДИФФУЗИЯ - п л а з м ы - разновидность аномальной диффузии плазмы, заключающаяся в аномально быстром переносе энергии и массы вещества плазмы под действием эл.-магн. флуктуации с плотностью энергии, значительно превышающей тепловой равновесный уровень. Скорость Т. д. существенно зависит от корреляции движения частиц плазмы с флуктуац. эл.-магн. полями. Т. д. вызывает аномально быстрые переносы как в лаб. плазме (токамаки, стеллараторы и др. плазменные установки), так и в космической (солнечный ветер, околоземная ударная волна, межзвёздный ионизованный газ и т. д.).

Определяющее значение в возникновении Т. д. имеют низкочастотные колебания -ионная циклотронная частота), появляющиеся вследствие разл. неустой-чивостей. В относительно спокойной плазме, в к-рой крупномасштабные магнитогидродинамич. неустойчивости стабилизированы, аномальный перенос связывают с м и к р о с к о п и ч е с к о й турбулентностью плазмы, характерные пространственные масштабы к-рой значительно меньше характерных размеров плазмы. Т. д. может возникать за счёт электростатич. и магн. флуктуации. Типичным источником надтепловых низкочастотных флуктуации в лаб. и космич. плазме являются дрейфовые неустойчивости, связанные с диамагн. током, возникающим в неоднородной плазме поперёк магн. поля и градиента плотности (см. Дрейф заряженных частиц).

Под действием э л е к т р о с т а т и ч. д р е й ф о в ы х в о л н поперёк удерживающего плазму магн. поля создаётся ср. поток частиц

где -флуктуации плотности частиц и напряжённости электрич. поля, связанные с дрейфовыми колебаниями; D - коэф. Т. д. С учётом типичной амплитуды насыщения дрейфовой неустойчивости ( а - характерный размер поперечной неоднородности плотности, -волновое число) коэф. Т. д. плазмы на электростатич. дрейфовых волнах имеет значение

Здесь g- инкремент неустойчивости, а характерное значение - скорость ионного звука. В случае дрейфово-диссипативной неустойчивости отсюда следует коэф. Бома диффузии.

Поперечный аномальный тепловой поток частиц данного сорта на электростатич. дрейфовых волнах

где -флуктуации давления, c-коэф. турбулентной теплопроводности плазмы.

В плазме достаточно большого давления [когда могут возбуждаться эл.-м а г н.

д р е й ф о в ы е в о л н ы. Обусловленные ими флуктуации магн. поля , перпендикулярные осн. магн. полю, приводят к дополнит. поперечному переносу частиц и тепла. Аномальный ср. поток частиц за счёт эл.-магн. флуктуации есть

Здесь -флуктуации электронного тока. В этом случае поперечный аномальный тепловой поток равен

где -флуктуации темп-ры, e_a -заряд частиц сорта a. Поток связан с тепловым движением частиц вдоль флуктуирующих магн. силовых линий. В гидродинамич. режиме

( -коэф. классич. продольной теплопроводности). В бес-столкновит. режиме, когда, напр., длина свободного пробега электронов l_e больше продольной длины корреляции L_c флуктуации магн. поля , коэф. температуропроводности электронов c_e за счёт флуктуации магн. поля равен

причём аномальный перенос связан со стохастизацией магн. силовых линий. В сильнотурбулентной плазме, когда выполнено условие пропорц. амплитуде магн. флуктуации:

Источником магн. флуктуации могут быть и др. неустойчивости плазмы, напр. тиринг-неустойчивостъ.

Обычно в плазме одновременно развивается целый ряд микронеустойчивостей, каждая из к-рых даёт свой вклад в аномальный перенос, причём разный в разл. областях плазменного объёма. Напр., в токамаке на краях плазменного объёма осн. вклад в аномальный перенос дают электростатич. флуктуации, а в центр. области плазмы-магнитные. Коэф. Т. д. в токамаках результаты эксперимента и теории совпадают.

Кроме Т. д. перенос энергии в плазме может быть связан с неоднородностью удерживающего плазму магн. поля, т. к. в этом случае часть запертых частиц плазмы (см. Магнитные ловушки )может двигаться кроме мелкомасштабного ларморовского вращения по крупномасштабным замкнутым дрейфовым орбитам. В токамаках такие орбиты наз. бананами, а связанная с ними диффузия - банановой или н е о к л а с с и ч е с к о й. В экспериментах на токамаках диффузия электронов всегда аномальна, а диффузия ионов бывает и неоклассической.

Примером Т. д. является диффузия в межзвёздной среде. Осн. источником энергии этой турбулентности служат взрывы сверхновых звёзд, для к-рых характерно, что плотность энергии магн. поля порядка плотности кине-тич. энергии ионизованного газа . Турбулентность является магнитогидродинамической, а Т. д. наз. магнитной. Для типичных параметров межзвёздной турбулентности l~100 парсек, u.~ 10 км/с коэф. магнитной Т. <д. Столь высокое значение D _м показывает, что крупномасштабные галактич. магн. поля не могут иметь реликтовое происхождение, поскольку относительно быстро, за время ~10⁸ лет, они должны быть разрушены магнитной Т. д., к-рая приводит к их выносу из центр. части на периферию спиральных галактик.

Лит.: Арцимович Л. А., Сагдеев Р. 3., Физика плазмы для физиков, М., 1979; Liewer P. С., Measurements of microturbulence in tokamaks and comparisons with theories of turbulence and anomalous transport, "Nucl. Fusion", 1985, v. 25, № 5, p. 549; Рузмайкин

А. А., Соколов Д. Д., HI у куров А. М., Магнитные поля галактик, М., 1988; Horton W., Nonlinear drift waves and transport in magnetized plasma, "Phys. Repts", 1990, v. 192, № 1, p. 1; Кадомцев Б. <Б., Основы физики плазмы токамака, в кн.: Итоги науки и техники, сер. Физика плазмы, т. 10, ч. 1, М., 1991, с. 5.

Н. С. Ерохин, А. К. Некрасов.