Дискретное моделирование плазмы

Доцент  Л. В. Бородачев

Картина однокомпонентной вайбелевской неустойчивости

Интенсивное развитие вычислительной техники и теории численных методов способствовало быстрому становлению в последние годы нового направления исследований физики плазмы, называемого математическим моделированием, вычислительным или компьютерным экспериментом. Особенно высока его роль в исследовании процессов, протекающих в статистически неравновесных системах и характерных для большинства реальных режимов существования плазмы.

Принципиальная нелинейность подобных процессов, значительная сложность (а зачастую принципиальная невозможность) натурного воспроизведения создают условия, при которых компьютерный эксперимент оказывается единственно возможным средством их изучения. При этом одно из центральных мест в численном моделировании плазмы занимает метод крупных («макро») частиц, что обусловлено его исключительной эффективностью, относительно малой стоимостью и широкими диагностическими возможностями с разнообразной (включая анимационную) формой представления физических результатов. Вместе с тем множество эффектов, обусловленных наиболее существенными, коллективными взаимодействиями частиц в плазме, носят нерелятивистский и безызлучательный характер. Это объясняет устойчивый интерес к физическим приложениям дискретного (по методу макрочастиц) частиц безызлучательного (магнитоиндукционного) или дарвинского моделирования в области низкочастотных электромагнитных явлений плазмофизики.

Очевидно, что все вышесказанное с необходимостью привело к разработке на кафедре математики соответствующего инструментария в виде прикладного программного комплекса, рассчитанного как на упрощенный численный анализ с использованием обычных РС, так и на уникальные расчеты в рамках многомерной фазовой геометрии и технологии параллельных вычислений, требующих аппаратных платформ кластерного типа. На его базе в содружестве с ведущими академическими институтами страны был решен ряд актуальных задач в области циклотронных колебаний, лазерного взаимодействия с веществом, ленгмюровской турбулентности и т.п.

Так совместно с ИКИ РАН были проведены численные исследования одного из наиболее ярких представителей кинетических неустойчивостей – вайбелевской. Последняя является одним из общих механизмов релаксации исходно анизотропных систем полей и частиц и имеет большое многообразие проявлений в практически важных областях плазмофизики. В серии компьютерных экспериментов удалось получить весьма интересные результаты, позволившие существенно уточнить и дополнить картину однокомпонентной (электронной) вайбелевской неустойчивости. Вместе с тем, учитывая фундаментальный характер явления, в последнее время начаты расчеты по кинетическому моделированию электронионной вайбелевской неустойчивости, где тяжелые частицы являются уже активной компонентой развития процесса. Данная постановка представляет наибольший интерес, поскольку она адекватна реальным плазменным процессам (например, магнитосферы Земли).