Проявления аномальной диссипации в пылевой плазме в Солнечной системе: безатмосферные космические тела

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Одной из основных особенностей, отличающих пылевую плазму от обычной (не содержащей заряженных пылевых частиц) плазмы, является аномальная диссипация, связанная с процессом зарядки пылевых частиц, приводящая к новым физическим явлениям, эффектам и механизмам. Рассматривается процесс аномальной диссипации в контексте описания динамики пылевых частиц в пылевой плазме безатмосферных тел Солнечной системы. Представлено описание колебаний пылевой частицы над поверхностями Меркурия, Луны, спутников Марса Фобоса и Деймоса. Затухание этих колебаний определяется частотой зарядки пылевых частиц, характеризующей аномальную диссипацию. Обсуждается возможность использования подхода, учитывающего аномальную диссипацию, для описания плазменно-пылевых процессов в окрестности комет. Показано, что аномальная диссипация играет существенную роль для определения возможности применения модели левитирующих пылевых частиц при описании пылевой плазмы над поверхностями безатмосферных тел Солнечной системы. Приведены результаты численных расчетов, подтверждающие возможность применения данной модели для ряда безатмосферных космических тел.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. И. Попель

Институт космических исследований РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: popel@iki.rssi.ru
Россия, Москва

Л. М. Зеленый

Институт космических исследований РАН

Email: popel@iki.rssi.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Альвен Х., Аррениус Г. Эволюция Солнечной системы. М.: Мир, 1979. 512 с.
  2. Богатиков О.А. Неорганические наночастицы в природе // Вестн. РАН. 2003. Т. 73. № 5. С. 426–428.
  3. Голубь А.П., Попель С.И. Нестационарные процессы при формировании пылевой плазмы у поверхности Фобоса // Письма в ЖЭТФ. 2021а. Т. 113. № 7. С. 440–445.
  4. Голубь А.П., Попель С.И. Нестационарные процессы при формировании пылевой плазмы у поверхности спутника Марса – Деймоса // Физика плазмы. 2021б. Т. 47. № 8. С. 741–747.
  5. Зеленый Л.М., Попель С.И., Захаров А.В. Пылевая плазма на Луне. Проблемы моделирования и измерений // Физика плазмы. 2020. Т. 46. № 5. С. 441–455.
  6. Зеленый Л.М., Захаров А.В., Попель С.И., Кузнецов И.А., Розенфельд Е.В. Физические процессы формирования и особенности плазменно-пылевой экзосферы Луны // УФН. 2024. Т. 194. № 6. С. 569–599.
  7. Колесников Е.К., Мануйлов А.С. Расчет напряженности электростатического поля над поверхностью Луны, покрытой монослоем водорода // Астрон. журн. 1982. Т. 59. № 5. С. 996–998.
  8. Лосева Т.В., Попель С.И., Голубь А.П. Пылевые ионно-звуковые ударные волны в лабораторной, ионосферной и астрофизической плазме // Физика плазмы. 2020. Т. 46. № 11. С. 1007–1025.
  9. Нефедов А.П., Петров О.Ф., Фортов В.Е. Кристаллические структуры в плазме с сильным взаимодействием макрочастиц // УФН. 1997. Т. 167. № 11. С. 1215–1226.
  10. Попель С.И., Голубь А.П., Лосева Т.В. Пылевые ионно-звуковые ударно-волновые структуры: теория и лабораторные эксперименты // Письма в ЖЭТФ. 2001. Т. 74. № 7. С. 396–401.
  11. Попель С.И. Лекции по физике пылевой плазмы. М.: МФТИ, 2012. 160 с.
  12. Попель С.И., Копнин С.И., Голубь А.П., Дольников Г.Г., Захаров А.В., Зеленый Л.М., Извекова Ю.Н. Пылевая плазма у поверхности Луны // Астрон. вестн. 2013. Т. 47. № 6. С. 455–466. (Popel S.I., Kopnin S.I., Golub' A.P., Dol'nikov G.G., Zakharov A.V., Zelenyi L.M., Izvekova Yu.N. Dusty plasma at the surface of the Moon // Sol. Syst. Res. 2013. V. 47. № 6. P. 419–429).
  13. Попель С.И., Голубь А.П., Извекова Ю.Н., Афонин В.В., Дольников Г.Г., Захаров А.В., Зеленый Л.М., Лисин Е.А., Петров О.Ф. К вопросу о распределениях фотоэлектронов над освещенной частью Луны // Письма в ЖЭТФ. 2014. Т. 99. № 3. С. 131–137.
  14. Попель С.И. Пыль и пылевая плазма в Солнечной системе // Природа. 2015. № 9. С. 48–56.
  15. Попель С.И., Голубь А.П. К вопросу об аномальной диссипации в плазме запыленной экзосферы Луны // Письма в ЖЭТФ. 2022. Т. 115. № 10. С. 629–635.
  16. Попель С.И. Проявления аномальной диссипации в плазменно-пылевых системах // Физика плазмы. 2023. Т. 49. № 1. С. 48–56.
  17. Попель С.И., Зеленый Л.М., Захаров А.В. Пылевая плазма в Солнечной системе: безатмосферные космические тела // Физика плазмы. 2023. Т. 49. № 8. С. 813–820.
  18. Фортов В.Е., Храпак А.Г., Храпак С.А., Молотков В.И., Петров О.Ф. Пылевая плазма // УФН. 2004. Т. 174. № 5. С. 495–544.
  19. Фортов В.Е., Батурин Ю.М., Морфилл Г.О., Петров О.Ф. Плазменный кристалл, Космические эксперименты. М.: Физматлит, 2015. 272 с.
  20. Хабарова О.В. Частное сообщение (2022).
  21. Цытович В.Н. Плазменно-пылевые кристаллы, капли и облака // УФН. 1997. Т. 167. № 1. С. 57.
  22. Цытович В.Н., Винтер Дж. Пыль в установках управляемого термоядерного синтеза // УФН. 1998. Т. 168. № 8. С. 899–907.
  23. Benkadda S., Tsytovich V.N. Modulational instability in dusty plasmas // Phys. Plasmas. 1995. V. 2. № 8. P. 2970–2974.
  24. Benkhoff J., Murakami G., Baumjohann W., Besse S., Bunce E., Casale M., Cremosese G., Glassmeier K.-H., Hayakawa H., Heyner D., and 21 co-authors. BepiColombo – mission overview and science goals // Space Sci. Rev. 2021. V. 217. № 8. P. 90.
  25. Bouchoule A. (ed.) Dusty plasmas: physics, chemistry and technological impacts in plasma processing. New York: John Wiley and Sons Inc., 1999. 408 p.
  26. Brownlee D.E. The Stardust comet mission: Studying sediments from the Solar System's frozen attic // Elements. 2012. V. 8. № 5. P. 327–328.
  27. Colwell J.E., Robertson S.R., Horányi M., Wang X., Poppe A., Wheeler P. Lunar dust levitation // J. Aerospace Eng. 2009. V. 22. P. 2–9.
  28. Divine N., Fechtig H., Gombosi T.I., Hanner M.S., Keller H., Larson S., Mendis D., Newburn R., Reinhard R., Sekanina Z., Yeomans D. The comet Halley dust and gas environment // Space Sci. Rev. 1986. V. 43. № 1. P. 1–104.
  29. Fortov V.E., Ivlev A.V., Khrapak S.A., Khrapak A.G., Morfill G.E. Complex (dusty) plasmas: Current status, open issues, perspectives // Phys. Reports. 2005. V. 421. № 1–2. P. 1–103.
  30. González-Esparza A. Interplanetary shocks and solar wind structure approaching solar maximum: Helios, IMP-8 and Voyager observations // Space Sci. Rev. 2001. V. 97. P. 197–200.
  31. Grard R.J.L., Tunaley J.K.E. Photoelectron sheath near a planetary probe in interplanetary space // J. Geophys. Res. 1971. V. 76. P. 2498–2505.
  32. Grün E., Jessberger E. Dust, Physics and Chemistry of Comets. Berlin: Springer, 1990. P. 113–176.
  33. Grün E., Gustafson B.A.S., Dermott S., Fechtig H. (eds). Interplanetary Dust. Berlin-Heidelberg-New York: Springer-Verlag, 2001. 834 p.
  34. Hiremath K.M. Magnetic field structure of Mercury // Planet. and Space Sci. 2012. V. 63–64. P. 8–14.
  35. Horányi M., Sternovsky Z., Lankton M., Dumont C., Gagnard S., Gathright D., Grün E., Hansen D., James D., Kempf S., and 4 co-authors. The lunar dust experiment (LDEX) onboard the lunar atmosphere and dust environment explorer (LADEE) mission // Space Sci. Rev. 2014. V. 185. № 1–4. P. 93–113.
  36. Knight M.M., Kokotanekova R., Samarasinha N.H. Physical and Surface Properties of Comet Nuclei from Remote Observations // arXiv:2304.09309 [astro-ph.EP]. 2023. https://doi.org/10.48550/arXiv.2304.09309
  37. Li D., Wang Y., Zhang H., Zhuang J., Wang X., Wang Y., Yang S., Sun Z., Wang X., Chen L., and 13 co-authors. In-situ measurements of lunar dust at the Chang'E-3 landing site in the northern Mare Imbrium // J. Geophys. Res.: Planets. 2019. V. 124. № 8. P. 2168–2177.
  38. Losseva T.V., Golub' A.P., Kosarev I.B., Popel S.I., Nemtchinov I.V. Physical and Gasdynamical Processes Caused by Cometary Impacts onto the Sun // Proc. Conf. Asteroids, Comets, Meteors – ACM2002, European Space Agency, 2002. P. 873–876.
  39. Mann I., Krivov A., Kimura H. Dust cloud near the Sun // Icarus. 2000. V. 146. № 2. P. 568–582.
  40. Mazets E.P., Sagdeev R.Z., Aptekar R.L., Golenetskii S.V., Guryan Y.A., Dyatchkov A.V., Ilyinskii V.N., Panov V.N., Petrov G.G., Savvin A.V., and 5 co-authors. Dust in comet P/Halley from Vega observations // Astron. and Astrophys. 1987. V. 187. P. 699–706.
  41. Merlino R.L., Goree J.A. Dusty plasmas in the laboratory, industry, and space // Phys. Today. 2004. V. 57. № 7. P. 32–39.
  42. Mishra S.K., Bhardwaj A. Photoelectron sheath on lunar sunlit regolith and dust levitation // Astrophys. J. 2019. V. 884. № 1. P. 5.
  43. Ostrikov K. Reactive plasmas as a versatile nanofabrication tool // Rev. Mod. Phys. 2005. V. 77. № 2. P. 489–511.
  44. Popel S.I., Yu M.Y., Tsytovich V.N. Shock waves in plasmas containing variable-charge impurities // Phys. Plasmas. 1996. V. 3. № 12. P. 4313–4315.
  45. Popel S.I., Golub' A.P., Losseva T.V., Ivlev A.V., Khrapak S.A., Morfill G. Weakly-dissipative dust-ion-acoustic solitons // Phys. Rev. E. 2003. V. 67. № 5. id. 056402.
  46. Popel S.I., Morfill G.E. Nonlinear wave structures in complex plasmas: Theory and experiments // Ukr. J. Phys. 2005. V. 50. № 2. P. 161–170.
  47. Popel S.I., Gisko A.A. Charged dust and shock phenomena in the Solar System // Nonlin. Proc. in Geophys. 2006. V. 13. P. 223–229.
  48. Popel S.I., Kopnin S.I., Yu M.Y., Ma J.X., Huang F. The effect of microscopic charged particulates in space weather // J. Phys. D: Applied Phys. 2011. V. 44. id. 174036.
  49. Popel S.I., Golub' A.P., Zelenyi L.M., Dubinskii A. Yu. Lunar dust and dusty plasmas: Recent developments, advances, and unsolved problems // Planet. and Space Sci. 2018. V. 156. P. 71–84.
  50. Popel S.I., Golub' A.P., Kassem A.I., Zelenyi L.M. Dust dynamics in the lunar dusty plasmas: Effects of magnetic fields and dust charge variations // Phys. Plasmas. 2022. V. 29. № 1. id. 013701.
  51. Popel S.I., Golub' A.P., Zelenyi L.M. Dusty plasmas above the sunlit surface of Mercury // Phys. Plasmas. 2023. V. 30. № 4. id. 043701.
  52. Rennilson J.J., Criswell D.R. Surveyor observations of lunar horizon-glow // The Moon. 1974. V. 10. P. 121–142.
  53. Rickman H. Composition and physical properties of comets // Solar System Ices / Eds: Schmitt B., de Bergh C., Festou M. Dordrecht: Kluwer, 1998. P. 395–417.
  54. Shukla P.K., Mamun A.A. Introduction to dusty plasmas physics. Bristol: IOP Publishing, 2002. 265 p.
  55. Thomas P. Surface features of Phobos and Deimos // Icarus. 1979. V. 40. P. 223–243.
  56. Thomas P., Veverka J. Downslope movement of material on Deimos // Icarus. 1980. V. 42. P. 234–250.
  57. Tsytovich V.N., Havnes O. Charging processes, dispersion properties and anomalous transport in dusty plasmas // Comm. Plasma Phys. Contr. Fusion. 1993. V. 15. P. 267–290.
  58. Tsytovich V.N. One-dimensional self-organised structures in dusty plasmas // Austral. J. Phys. 1998. V. 51. № 5. P. 763–834.
  59. Tsytovich V.N., Morfill G.E., Vladimirov S.V., Thomas H. Elementary physics of complex plasmas. Berlin: Springer-Verlag, 2008. 370 p.
  60. Vaisberg O.L., Smirnov V., Omelchenko A., Gorn L., Iovlev M. Spatial and mass distribution of low-mass dust particles (m < 10–10 g) in comet P/Halley's coma // Astron. and Astrophys. 1987. V. 187. P. 753–760.
  61. Vladimirov S.V., Ostrikov K. Dynamic self-organization phenomena in complex ionized gas systems: New paradigms and technological aspects // Phys. Rep. 2004. V. 393. № 3–6. P. 175–380.
  62. Vladimirov S.V., Ostrikov K., Samarian A.A. Physics andapplications of complex plasmas. London: Imperial College Press, 2005. 500 p.
  63. Zakharov A., Horányi M., Lee P., Witasse O., Cipriani F. Dust at the Martian moons and in the circummartian space // Planet. and Space Sci. 2014. V. 102. P. 171–175.
  64. Zhang H.Y., Wang Y., Chen L.P., Zhang H., Li C.H., Zhuang J.H., Li D.T., Wang Y.J., Yang S.S., Li X.Y., Wang W.D. In-situ lunar dust deposition amount induced by lander landing in Chang’E-3 mission // Sci. China Tech. Sci. 2020. V. 63. P. 520–527.
  65. Zook H., McCoy J. Large scale lunar horizon glow and a high-altitude lunar dust exosphere // Geophys. Res. Lett. 1991. V. 18. № 11. P. 2117–2120.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Зависимости высоты пылевой частицы радиуса a=0.105 мкм с переменным зарядом от времени, hd(t), характеризующие траекторию ее движения при θ = 87°: (а) –вычисленные на основе решения системы уравнений (1)–(2); (б) – вычисленные на основе решения уравнения (15).

Скачать (153KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимости от радиуса a пылевой частицы времени td0 и величины 2 / νq.

Скачать (72KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость от радиуса a пылевой частицы отношения тока электронов солнечного ветра Ie (qd) к току фотоэлектронов от поверхности Луны Ie, ph (qd), вычисленному для равновесных зарядов пылевых частиц.

Скачать (55KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимости зарядового числа Zd пылевой частицы, высоты h0 ее равновесия над поверхностью Меркурия, времени 2 / νq (a): (а) – от размера пылевой частицы a; (б) – высоты h нахождения пылевой частицы радиуса a = 0.20 мкм от времени. Зависимости определялись для условий афелия и участка поверхности Меркурия, не очень близкого к его магнитным полюсам, при θ = 87°.

Скачать (178KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости зарядового числа Zd пылевой частицы, высоты h0 ее равновесия над поверхностью Меркурия, времени 2 / νq (a): (а) – от размера пылевой частицы a; (б) – высоты h нахождения пылевой частицы радиуса a = 0.30 мкм от времени. Зависимости определялись для условий перигелия и участка поверхности Меркурия, не очень близкого к его магнитным полюсам, при θ = 87°.

Скачать (229KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости зарядового числа Zd пылевой частицы, высоты h0 ее равновесия над поверхностью Меркурия, времени 2 / νq (a): (а) – от размера пылевой частицы a; (б) – высоты h нахождения пылевой частицы радиуса a = 0.18 мкм от времени. Зависимости определялись для условий афелия и участка поверхности Меркурия, расположенного вблизи магнитных полюсов, при θ = 87°.

Скачать (213KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимости зарядового числа Zd пылевой частицы, высоты h0 ее равновесия над поверхностью Меркурия, времени 2 / νq (a): (а) – от размера пылевой частицы a; (б) – высоты h нахождения пылевой частицы радиуса a = 0.30 мкм от времени. Зависимости определялись для условий перигелия и участка поверхности Меркурия, расположенного вблизи магнитных полюсов, при θ = 87°.

Скачать (199KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Осцилляции параметров, характеризующих траекторию движения пылевой частицы радиуса a = 1.445 мкм с изменяющимся зарядом над поверхностью Фобоса при θ = 87°: высота подъема hd, скорость ud, зарядовое число Zd.

Скачать (188KB)
Метаданные
10. Рис. 9. То же, что на рис. 8, но для пылевой частицы радиуса a = 1.445 мкм с постоянным зарядом.

Скачать (191KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Осцилляции параметров, характеризующих траекторию движения пылевой частицы радиуса a = 1.768 мкм с изменяющимся зарядом над поверхностью Деймоса при θ = 87°: высота подъема hd, скорость ud, зарядовое число Zd.

Скачать (181KB)
Метаданные
12. Рис. 11. То же, что и на рис. 10, но для пылевой частицы радиуса a = 1.768 мкм с постоянным зарядом.

Скачать (175KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Зависимость характерного времени td0 затухания колебаний пылевой частицы от ее радиуса при θ = 87° для Фобоса.

Скачать (62KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Зависимость характерного времени td0 затухания колебаний пылевой частицы от ее радиуса при θ = 87° для Деймоса.

Скачать (65KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Зависимости отношения от r. Линии I и II соответствуют концентрациям микромасштабной пыли у ядра кометы 103 см–3 и 1011 см–3. Значения концентраций на левой (правой) вертикальной оси соответствуют кривой I (II).

Скачать (96KB)
Метаданные
16. Рис. 15. Профили концентрации ионов солнечного ветра niSW и электростатического потенциала φ в головной ударной волне. Пространственная переменная r выражена в единицах электронного дебаевского радиуса λDe.

Скачать (72KB)
Метаданные
17. Рис. 16. Зависимости зарядового числа пылевой частицы Zd, ее размера a, напряженности электрического поля над поверхностью кометы E, а также отношения электростатической силы FE к силе Ffg со стороны газового потока, действующих на пылевую частицу, в зависимости от высоты h над поверхностью кометы, полученные при θ = 87° (а), 77o (б) и 0o (в) в рамках стационарной модели.

Скачать (185KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024