Численное моделирование развития нелинейных эффектов в вейбелевской неустойчивости

С помощью нового подхода к численному моделированию развития вейбелевской неустойчивости в анизотропной плазме проведён детальный анализ возникающих нелинейных эффектов на разных этапах её развития. Эти эффекты наиболее важны на стадии насыщения, приводя к появлению крупномасштабных слабозатухающих магнитных полей. В то же время выяснилось, что нелинейные эффекты для вейбелевской неустойчивости всегда малы в том смысле, что нелинейное взаимодействие отдельных мод между собой не может непосредственно изменить динамику магнитного поля на стадии роста и насыщения, но оказывается принципиально важным для оценки скорости затухания поля. Возникающая вейбелевская турбулентность при этом всегда слаба, а пространственный масштаб магнитных структур всегда меньше, чем гирорадиус типичных тепловых частиц. Таким образом, движение последних определяется в основном глобальными статистическими свойствами магнитного поля, а не локальной геометрией отдельных филаментов. Полученные результаты представляют интерес для интерпретации ряда явлений в ударных волнах в неравновесной космической плазме, а также для анализа экспериментов с фемтосекундной лазерной плазмой.

На английском языке

Numerical simulation of nonlinear effects in the weibel instability

Garasev M.A.

Derishev E.V.

We analyze in detail the nonlinear effects taking place in an anisotropic plasma at different stages of the Weibel instability using a new approach to the particle-in-cell numerical simulation. Nonlinear effects are found to be most important at the saturation stage where they lead to generation of large-scale, weakly decaying magnetic fields. On the other hand, it turned out that nonlinear effects at all stages of the Weibel instability are always small in the sense that nonlinear interaction between individual modes cannot directly change the dynamics of the magnetic field at the growth and saturation stage, but they are fundamentally important for estimating the rate of magnetic field decay. In other words, the resulting Weibel turbulence is always weak, and the spatial scale of the magnetic structures is always smaller than the gyroradius of typical thermal particles. Thus, the motion of particles is mostly determined by the global statistical properties of the magnetic field rather than by the local geometry of individual magnetic field filaments. The results may have application for interpreting some phenomena in a non-equilibrium plasma of space shocks, as well as in the analysis of experiments with femtosecond laser-produced plasma.