Вейбелевский механизм генерации магнитного поля при расширении сгустка бесстолкновительной плазмы с горячими электронами

Проведён качественный физический анализ и двумерное численное моделирование методом частиц в ячейках вейбелевского механизма генерации магнитного поля за счёт самосогласованного формирования филаментов тока горячих электронов с анизотропным распределением по скоростям, происходящего в процессе распада сильного разрыва в бесстолкновительной плазме с большим перепадом концентрации и температуры электронов. Анизотропия распределения электронов в основном обусловлена их квазиадиабатическим расширением с существенным уменьшением тепловых скоростей в направлении нормали к фронту образующейся электростатической ударной волны при слабом уменьшении тепловых скоростей в поперечных направлениях. Сильное магнитное поле возникает в слое с наибольшей анизотропией под фронтом, захватывает всю область расширяющейся плазмы и на нелинейной стадии эволюции приобретает квазипериодическую модуляцию вдоль нормали к фронту, коррелирующую с модуляцией степени электронной анизотропии. Рассмотренный сценарий развития вейбелевской неустойчивости представляет интерес для анализа экспериментов с фемтосекундной лазерной плазмой и интерпретации подобных явлений при распаде сильных разрывов в неравновесной космической плазме.

На английском языке

Weibel mechanism of magnetic-field generation in the process of expansion of a bunch of collisionless plasma with hot electrons

Nechaev A.A.

Garasev M.A.

Kocharovsky V.V.

Kocharovsky Vl.V.

We carry out qualitative physical analysis and use the Particle-in-Cell (PIC) method to perform two-dimensional numerical modeling of the Weibel mechanism of magnetic-field generation determined by self-consistent formation of filaments of the hot-electron current with anisotropic velocity distribution, which occurs in the process of decay of strong discontinuity in collisionless plasma with a great difference in the density and temperature of electrons. Anisotropy of the electron distribution is mainly due to their quasiadiabatic expansion and a significant decrease in the thermal velocities in the normal direction to the leading edge of the formed electrostatic shock wave at a weak decrease in the thermal velocities in the transverse directions A strong magnetic field is formed in a layer with the strongest anisotropy under the front, captures the entire region of the expanding plasma and, at the nonlinear evolution stage, acquires quasiperiodic modulation along the normal to the front, which correlates with the modulation of the electron anisotropy degree. The considered scenario of evolution of the Weibel instability is of interest for analysis of experiments with femtosecond laser plasma and interpretation of such phenomena in the case of a decay of strong discontinuities in nonequilibrium space plasma.