Nichtgleichgewichts-Systeme

Nichtgleichgewichtssysteme: Numerische Stabilitätsuntersuchung nichtgyrotroper Plasmaverteilungen


$F(\underline{v})$
$F(v_\parallel,v_\perp)$
$v_\parallel$
$v_\perp$

Die Verteilungsfunktion ist in einem Magnetoplasma häufig axialsymmetrisch oder gyrotrop; sie nimmt die Form an. und markieren die Geschwindigkeitskomponenten parallel bzw. senkrecht zum Hintergrundmagnetfeld. Wichtige Spezialfälle sind Beam-Verteilungen mit

und Ringverteilungen mit

Beide Fälle sind thermodynamisch nicht stabil; sie regen instabile Wellenmoden an.

$F(v_\parallel,v_\perp,\phi)$
$v_\parallel, v_\perp$
$\phi$
$\phi$

In Regionen der Wechselwirkung von Plasmen unterschiedlicher Herkunft wird die Axialsymmetrie der Verteilungsfunktion mitunter gebrochen, und das Plasma wird nichtgyrotrop. Die Verteilungsfunktion hat keinerlei Symmetrie mehr und hängt von allen Phasenraumkoordinaten und ab, wobei die Gyrophase darstellt.

Die Gyrophasenabhängigkeit trägt neue Freiheitsgrade in das Plasma ein und ermöglicht damit auch neue Quellen für mögliche Überschußenergie und neue Kanäle für deren Relaxation ins thermodynamische Gleichgewicht.

Eine Vielzahl untersuchter nichtgyrotroper Plasmen erweist sich als instabil. Die Instabilität führt zur Wellenanregung und mitunter auch zur Verkopplung von Moden, die im gyrotropen Plasma entkoppelt existieren. Das Wellenwachstum bewirkt die Streuung und Diffusion der Plasmateilchen bis am Ende ein stabiler Gleichgewichtszustand erreicht ist.

keine Beschreibung vorhanden

Im Bild ist die Evolution einer nichtgyrotropen Anfangsverteilung dargestellt. Links sind Phasenraumschnitte senkrecht zum Magnetfeld ausgeführt, rechts ist parallel zum Magnetfeld geschnitten. Drei Diffusionsprozesse können identifiziert werden: Gyrophasendiffusion, Pitchwinkeldiffusion und Energiediffusion.

Die Simulation wurde mit einem zweidimensionalen Hybrid-Code ausgeführt.

Referenzen

Motschmann, U., K.-H. Glassmeier, Nongyrotropic distribution of pickup ions at comet P/Grigg-Skjellerup: a possible source of wave activity, J. Geophys. Res., 98, 20977-20983, 1993.

Kafemann, H.D.F., U. Motschmann, Studies of nongyrotropic ion distributions in magneto-plasmas by 2-d hybrid code simulations, SIMPO Newsletter (Kyoto Univ.), 5, 14-19, 1995.

Motschmann, U., H. Kafemann, M. Scholer, Nongyrotropy in magnetoplasma: Simulation of wave excitation and phase space diffusion, Ann. Geophysicae 15, 603-613, 1997.

Motschmann, U., K.-H. Glassmeier, Dispersion and wave excitation in nongyrotropic plasmas, J. Plasma Phys. 60, 111-132, 1998.

Motschmann, U., K.-H. Glassmeier, A. L. Brinca, Nongyrotropic particle distributions in space plasmas, Ann. Geophysicae, 17, 613-622, 1999.

Brinca, A. L., Motschmann, U., F. J. Romeiras, On the dispersion of two coexisting nongyrotropic ion species, Ann. Geophysicae, 17, 1134-1144, 1999.