8.13. Проблема равновесия

Уравнения для макроскопических гидродинамических переменных в случае бесстолкновительной плазмы имеют стационарные решения, которые характеризуют возможные равновесные состояния плазмы. Такие стационарные решения часто соответствуют квазиравновесным состояниям, в которых некоторые характеристики плазмы отличаются от термодинамически равновесных. Именно эти квазиравновесные состояния приходится исследовать на устойчивость.

Плазменные неустойчивости обычно изучаются с помощью теории возмущений. Применять такой подход имеет смысл только тогда, когда существует начальное квазиравновесное состояние плазмы, вблизи которого можно рассматривать малые отклонения. Если начальные возмущения нарастают, плазма называется неустойчивой. Нарастающие возмущения неизбежно изменяют свойства плазмы (плотность, температуру, степень однородности или изотропности и т. д.). Такие изменения могут привести к образованию нового равновесного состояния, которое окажется устойчивым по отношению к нарастанию моды, разрушившей исходное состояние.

Во многих плазменных экспериментах равновесное состояние никогда не устанавливается, так как промежуток времени, необходимый для создания плазмы, уже сравним с временем нарастания неустойчивости. Задача теории в таких случаях: состоит в том, чтобы оценить или постулировать, каким могло бы быть равновесное состояние, если бы все неустойчивости были подавлены, а затем проанализировать устойчивость такого модельного равновесия с целью предсказания свойств, которые можно было бы наблюдать в эксперименте. Кроме того, теоретическое изучение может ответить на вопрос, нельзя ли подавить наиболее опасные неустойчивости путем модификации опробованной равновесной конфигурации.

При экспериментальном исследовании нужно попять, можно ли реализовать предложенное равновесное состояние, и если да, то определить свойства реальной плазмы в этих условиях. Такой процесс совместных теоретических и экспериментальных усилий оказался плодотворным при подавлении некоторых из наиболее опасных неустойчивостей.

Наконец, важно подчеркнуть различие между неустойчивым равновесием и чисто динамической ситуацией. Плазменный шарик, свободно падающий в поле силы тяжести поперек магнитного поля, не является неустойчивым: он просто не находится в равновесии.

8.14. Классификация плазменных неустойчивостей

Для конкретизации равновесного состояния плазмы обычно приходится задавать большое число параметров. Данное равновесие может быть неустойчивым к различным типам возмущений, а данная неустойчивость может быть общей для разных равновесных состояний плазмы. Основываясь на общих признаках, плазменные неустойчивости удобно разбить на группы. Одна из простых схем классификации заключается в том, что неустойчивости делятся на две основные группы:

1) неустойчивости пространственно неоднородной плазмы (макронеустойчивости), или гидродинамические неустойчивости,

2) неустойчивости однородной плазмы (микронеустойчивости), или кинетические неустойчивости, и на две подгруппы:

а) электростатические неустойчивости,

б) электромагнитные неустойчивости.