Программа спецкурса
Волны в околоземной плазме

 

Радиофизический факультет
Кафедра космической физики и экологии

 

Аннотация

 

Ф е д е р а л ь н о е а г е н т с т в о п о о б р а з о в а н и ю
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

УТВЕРЖДАЮ
Декан радиофизического
факультета
____________В.В.Демин
«____»___________2006 г.

 

ВОЛНЫ В ОКОЛОЗЕМНОЙ ПЛАЗМЕ
Рабочая программа

Специальность

 

013800 (010801) – Радиофизика и электроника
Статус дисциплины:
специальная дисциплина

 

Томск
2006

 

 

 

Одобрено кафедрой космической физики и экологии
Протокол №____ от ______________2006 г.
Зав. кафедрой, профессор__________________ А.Г.Колесник

Рекомендовано методической комиссией радиофизического факультета
Председатель комиссии, доцент_________________ Г.Н.Дейкова
«____»______________2006 г.

Рабочая программа по курсу «Волны в околоземной плазме» составлена на основе требований Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 511500 радиофизика.
Общий объем курса 72 часа. Из них: лекции 36 час., лабораторные занятия –, семинарские занятия –, самостоятельная работа студентов – 36 ч.
Зачет по курсу.

Составитель:
Колесник Анатолий Григорьевич – доктор физ.-мат. наук, профессор, заведующий кафедрой космической физики и экологии.

Рецензент:
профессор В.Т.Сарычев

 

ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

 

Целью курса «Волны в околоземной плазме» является получение базовых знаний и возможность их использования в процессе дальнейшего обучения, при прохождении учебных практик, написания курсовых, бакалаврских, дипломных и научных работ.

Задачей курса «Волны в околоземной плазме» является знакомство студентов с основными понятиями и свойствами околоземной плазмы, понятием и спецификой электромагнитных, гидромагнитных и электрокинетических волн в околоземной плазме, физическими основами механизмов затухания и усиления волн, понятием групп волн и волновых пакетов.

Место курса. Курс входит в блок специальных дисциплин специализации «радиофизические методы в экологии» и «физика ионосферы и распространение радиоволн».

 

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

 

Тема 1. Основные понятия и свойства околоземной плазмы.
1.Частично ионизированные газы. Определение плазмы. Понятие квазиэлектронейтральности плазмы. Плазменные колебания. Временной и пространственный масштабы квазиэлектронейтральности. Радиус Дебая.
2.Образование околоземной плазмы. Структура и основные характеристики ионосферной плазмы. Стратификация атмосферы по составу и тепловому режиму. Частоты соударений в ионосферной плазме.
3.Геомагнитное поле, модель диполя. Образование магнитосферы Земли. Структура и основные характеристики магнитосферы.

 

Тема 2. Методы математического описания околоземной плазмы.
1.Классификация и общая характеристика методов математического описания околоземной плазмы. Микроскопический метод описания плазмы. Свободное движение заряженной частицы в магнитном поле.
2.Движение заряженной частицы под действием постоянной силы в магнитном поле. Дрейфовое приближение. Виды дрейфа, электрический дрейф и его особенности. Движение заряженной частицы при наличии столкновений. Замагниченность плазмы.
3.Кинетический метод описания плазмы. Функция распределения и кинетические уравнения. Схема получения система уравнений магнитной гидродинамики из кинетических уравнений по методу Грэда.
4.Анализ системы уравнений сохранения МГД (массы, импульса, энергии) для ионосферной плазмы.
5.Закон Ома в плазме. Проводимость плазмы. Вмороженность магнитного поля в плазме. Диэлектрическая проницаемость плазмы.

 

Тема 3. Электромагнитные и гидромагнитные волны в околоземной плазме.
1.Уравнение Максвелла для плоских гармонических волн. Общие свойства плоских электромагнитных волн в плазме в присутствии постоянного магнитного поля. Показатель преломления плазмы. Распределение энергии волны в плазме.
2.Объемная поляризация плазмы в поле волны. Уравнение движения электрона в поле волны. Электромагнитные, гидромагнитные и электрокинетические волны.
3.Распространение волн в направлении магнитного поля. Случай подвижных лишь электронов. Характеристичекие волны. Дисперсионные кривые. Свистящие атмосферики (n > 1).
4.Распространение волн в направлении магнитного поля для общего случая подвижных электронов и ионов. Гидромагнитные волны. Магнитный звук. Перекрестные частоты.
5.Распространение волн в направлении перпендикулярном магнитному полю. Случай подвижных только электронов. Обыкновенные и необыкновенные волны. Дисперсионные кривые.
6.Распространение волн в направлении перпендикулярном магнитному полю. Общий случай подвижных электронов и ионов. Верхние и нижние гибридные частоты.
7.Электроакустические волны. Электроакустическое волновое уравнение, его феноменологический вывод и анализ. Плазменные волны.

 

Тема 4. Взаимодействие волн и частиц.
1.Затухание (усиление) волн Ландау. Циклотронное затухание (усиление) волн.
2.Группы волн. Понятие волнового пакета. Угловые спектры волн.
3.Сводная характеристика электромагнитных и других волн в околоземной плазме. Построение сводной таблицы и ее анализ.

 

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЭКЗАМЕНУ И ЗАЧЕТУ

 

Частично ионизированные газы. Определение плазмы. Понятие квазиэлектронейтральности плазмы.
Плазменные колебания. Временной масштаб разделения зарядов в плазме.
Радиус Дебая. Пространственный масштаб разделения зарядов в плазме.
Методы математического описания плазмы (классификация и общая характеристика).
Свободное движение заряженной частицы в магнитном поле.
Движение заряженной частицы под действием постоянной силы в магнитном поле.
Дрейфовое приближение. Понятие замагниченности плазмы.
Функция распределения и кинетическое уравнение для плазмы.
Схема Грэда получения системы уравнений магнитной гидродинамики из кинетического уравнения.
Анализ уравнения сохранения массы для ионосферной плазмы.
Анализ уравнения сохранения импульса для ионосферной плазмы.
Анализ уравнения сохранения энергии для ионосферной плазмы.
Электрический дрейф и его особенности.
Структура атмосферы по составу.
Структура атмосферы по тепловому режиму.
Структура ионосферы.
Геомагнитное поле. Модель диполя.
Образование и структура магнитосферы Земли.
Уравнения Максвелла для плоских волн в околоземной плазме.
Движение электронов в плазме под действием электромагнитной волны (вывод уравнений движения электронов).
Показатель преломления электромагнитных волн в плазме.
Физический смысл стремления показателя преломления электромагнитных волн к нулю и бесконечности.
Распределение энергии волны в плазме.
Компоненты плоских электромагнитных волн на фронте (волны).
Поперечное распространение волн в магнитном поле (случай подвижных только электронов).
Продольное распространение волн в магнитном поле (случай подвижных только электронов).
Продольное распространение волн в магнитном поле (общий случай подвижных электронов и ионов).
Поперечное распространение волн в магнитном поле (случай подвижных электронов и ионов).
Гидромагнитные волны.
Электроакустические волны.

 

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧАСОВ КУРСА ПО ТЕМАМ И ВИДАМ РАБОТ

 

№ п/п	Наименование тем	Всего часов	Лекции	Практика	Самостоятельная работа
1	Основные понятия и свойства околоземной плазмы	12	6	—	6
2	Методы математического описания околоземной плазмы	20	10	—	10
3	Электромагнитные и гидромагнитные волны в околоземной плазме	28	14	—	14
4	Взаимодействие волн и частиц	12	6	—	6
	Итого:	72	36	—	36

 

ФОРМЫ ИТОГОВОГО КОНТРОЛЯ

 

Экзамен в пятом семестре.

 

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КУРСА

 

1. Рекомендуемая литература (основная)
Д.А.Франк-Каменецкий. Лекции по физике плазмы. М.: Атомиздат, 1968. 286 с.
А.Г.Колесник, И.А.Голиков, В.И.Чернышев. Математические модели ионосферы. Томск. Изд-во «Раско». 1993 г. 250 с.
Б.Н.Гершман, Л.М.Ерухимов, Ю.Я.Яшин. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. М.: Наука. 1984. 392 с.
К.Дэвис. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир. 1973. 502 с.

 

2. Рекомендуемая литература (дополнительная)
Л.А.Арцинович, Р.З.Сагдеев. Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат. 1979. 313 с.
Дж.Ратклифф. Введение в физику ионосферы и магнитосферы. М.: Мир. 1975. 296 с.
Г.Альвен, К.-Г.Фельтхаммар. Космическая электродинамика. М.:Мир. 1967. 260 с.
А.В.Гуревич, А.Б.Швартцбург. Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере. М.: Наука. 1973. 272 с.