Бесстолкновительная ударная волна

БЕССТОЛКНОВИТЕЛЬНАЯ УДАРНАЯ ВОЛНА, распространяющаяся в разреженной плазме со сверхзвуковой скоростью переходная область, в которой происходит скачкообразное изменение параметров (плотности электронов Ne и ионов Ni, температуры Те и Ti магнитного поля Н и др.). Толщина этой области значительно меньше длины свободного пробега ионов, так что столкновений частиц на этих расстояниях не происходит. Например, при обтекании магнитосферы Земли солнечным ветром образуется ударная волна толщиной L = 100 км, а длина свободного пробега ионов в межпланетной плазме l_i = 10⁸ км. Бесстолкновительные ударные волны обнаружены в хвосте магнитосферы Земли, а также при взаимодействии звёздного ветра с облаками межзвёздного газа. В лабораторных условиях бесстолкновительные ударные волны наблюдались при столкновениях плазменных сгустков, при сжатии плазмы магнитными полями и тому подобное.

Диссипация кинетической энергии частиц в бесстолкновительных ударных волнах происходит не в результате кулоновских столкновений, а вследствие коллективных эффектов - турбулентности плазмы.

Как и для ударных волн в газах, мерой интенсивности бесстолкновительных ударных волн является Маха число М, равное отношению скорости волны U к скорости звука в среде v. М=U/v. В плазме присутствует несколько типов волн, различающихся скоростью (смотри Волны в плазме). Так, ионно-звуковые волны распространяются со скоростью v_s = (m_e/m_i)¹/² (m_i - масса иона), магнитозвуковые - со скоростью ν_A = = Η/(4πΝ_im_i)^1/2. В зависимости от ско­рости волн (следовательно, и от числа Маха) различен характер диссипативных процессов в бесстолкновительных ударных волнах. При 1 <М<М_кр (М_кр = 1,6 для ионно-звуковых и М_кp = 3 для магнитозвуковых волн) происходит в основном нагрев электронов за счёт так называемого аномального сопротивления, а рост крутизны фронта сдерживается эффектами дисперсии. При М>М_кр происходит «опрокидывание» фронта волны и возникает многопотоковое движение ионов, приводящее к их нагреву. В магнитозвуковых ударных волнах экспериментально обнаружен переход от тока, сформированного электронами при М<М_кр, к току ионов при М>М_Кр. Это проявляется в изменении толщины фронта в m_i/m_е раз (m_е - масса электрона). При М<М_Кр для бесстолкновительных ударных волн, распространяющихся под углом к магнитному полю, характерно существование «предвестников», опережающих основной скачок поля, тогда как для поперечных волн за скачком поля может существовать «шлейф» затухающих колебаний магнитного поля.

Теоретически проблема бесстолкновительных ударных волн наиболее последовательно была развита в работах Р. 3. Сагдеева. Основные лабораторные эксперименты по бесстолкновительным ударным волнам выполнены в России и за рубежом в 1960-70-х годах. Исследования бесстолкновительных ударных волн в космосе с помощью спутников проводятся с конца 1950-х годов.

Интерес к бесстолкновительным ударным волнам в плазме связан с их особой ролью в происхождении космических лучей и в возникновении магнитных бурь в магнитосфере Земли, а также с исследованиями импульсного термоядерного синтеза, где создание высоких плотностей энергии сопровождается образованием ускоренных ионов нетеплового происхождения.

Лит.: Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М., 1979.