پژوهش سیستم های بس ذره ای

پژوهش سیستم های بس ذره ای

ساختار موج ضربه در پلاسماهایی با توزیع کاپای منظم شده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسنده
گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه گنبد کاووس، گنبد کاووس، ایران
چکیده
در این پژوهش، ساختار امواج یون-صوتی ضربه‌ای در یک پلاسمای غیرمغناطیسی شامل یون‌های گرم و الکترون‌هایی با توزیع کاپای منظم شده بررسی شده است. با به‌کار بردن روش اختلال کاهشی، معادلة غیرخطی کورته وگ- دوری برگرز (K-dVB) برای دینامیک امواج یون-صوتی ضربه‌ای تعیین شده است. در اینجا، اتلاف ایجاد شده به‌وسیلة چسبندگی سینماتیکی یون نیز در نظر گرفته شده است. جواب تحلیلی معادلة غیرخطی K-dVB به‌کمک روش تانژانت هایپربولیک تعیین شده است. علاوه‌براین، جزئیات شرایط انتشار موج ضربه‌ای به‌صورت نوسانی و یا یکنواخت نیز به‌صورت تحلیلی بررسی شده است. مشاهده می‌شود که اگر چسبندگی محیط پلاسما نسبتاً کوچک باشد، امواج ضربه‌ای نوسانی قابلیت انتشار در محیط پلاسمای مد نظر را خواهند داشت.  همچنین مشاهده می‌شود که الکترون‌هایی با توزیع کاپای منظم شده می‌توانند ساختار امواج ضربه‌ای را تصحیح کنند. به‌عبارت دیگر، هر دو موج ضربه‌ای با دامنة مثبت و منفی قابلیت انتشار در محیط پلاسمای حاضر را دارند. وابستگی ساختار موج ضربه‌ای به پارامترهای مربوط به توزیع الکترون‌ها (  و ) و ضریب چسبندگی یون‌ها نیز مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج پژوهش حاضر می‌تواند در درک پدیده‌های الکتروستانیکی غیرخطی در پلاسماهای فضایی با الکترون‌های دارای توزیع کاپای منظم شده مفید باشند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Shock wave structure in plasmas with regularized Kappa-distributed electrons

نویسنده English

Mostafa Mehdipoor
Department of Physics, Faculty of Science, Gonbad Kavous University, Gonbad Kavous, Iran
چکیده English

In this study, the structure of ion-acoustic shock waves in an unmagnetized plasma consisting of warm ions and regularized Kappa-distributed electrons has been investigated. Using the reductive perturbation method, the nonlinear Korteweg-de Vries-Burgers (K-dVB) equation is derived for the dynamics of ion-acoustic shock waves. Here, the dissipation generated by the ion kinematic viscosity is also considered. The analytical solution of the K-dVB equation is obtained by employing the tangent hyperbolic (Tanh) method. In addition, the analytical conditions for the propagation of oscillatory and monotonic shock structures are also discussed in detail. It is observed that when the viscosity of the plasma medium is fairly small, the oscillating shock waves will be able to propagate in the present plasma medium. Furthermore, it is seen that the regularized Kappa-distributed electrons can modify the structure of shock waves. In other words, both positive and negative amplitude shock waves can be propagated in the present plasma model. The dependence of shock structures on the parameters related to electron distribution (i.e.,  and ) and the kinematic viscosity of ions are also discussed. The results of this study may be useful for understanding nonlinear phenomena in space/astrophysics plasmas where regularized Kappa distributed electrons are assumed.  

کلیدواژه‌ها English

Ion-acoustic shock waves
Regularized kappa distribution
K-dV Burger equation
Dispersive effects
[1] H. Ikezi, R. Taylor, D. Baker, Formation and interaction of ion-Acoustic solitions, Physical Review Letters 25 (1970) 11-14. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.25.11
[2] R.Z. Sagdeev, in Reviews of Plasma Physics, (edited by M.A. Leontovich), Consultants Bureau, New York (1966).
[3] H. Washimi, T. Taniuti, Propagation of ion-acoustic solitary waves of small amplitude, Physical Review Letters 17 (1966) 966. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.17.996
[4] R.C. Davidson, Methods in nonlinear plasma theory, Academic Press (1972).
[5] J. Du, Nonextensivity in nonequilibrium plasma systems with Columbian long-range interactions, Phys. Lett. A, 329 (2004) 262–267. doi: 10.1016/j.physleta.2004.07.010.
[6] V.M. Vasyliunas, A survey of low-energy electrons in the evening sector of the magnetosphere with OGO 1 and OGO 3, J. Geophys. Res., 73 (1968) 2839–2884. doi:10.1029/JA073i009p02839.
[7] R.A. Cairns, A.A. Mamum, R. Bingham, R. Boström, R. O. Dendy, C.M.C. Nairn, P.K. Shukla, Electrostatic solitary structures in non‐thermal plasmas. Geophys. Res. Lett. 22 (1995) 2709.
[8] A.A. Abid, S. Ali, J. Du, A.A. Mamun, Vasyliunas–Cairns distribution function for space plasma species, Phys. Plasmas, 22 (2015) 084507. doi: 10.1063/1.4928886.
 
[9] M. Tribeche, R. Amour, P.K. Shukla, Ion acoustic solitary waves in a plasma with nonthermal electrons featuring Tsallis distribution, Phys Rev E 85 (2012) 037401.
[10] M. Tribeche, L. Djebarni, R. Amour, Ion-acoustic solitary waves in a plasma with a q-nonextensive electron velocity distribution, Phys Plasmas. 17 (2010) 042114. DOI: 10.1063/1.3374429
[11] N.S. Saini, I. Kourakis, M.A. Hellberg, Arbitrary amplitude ion-acoustic solitary excitations in the presence of excess superthermal electrons, Physics of Plasmas 16 (2009) 062903. https://doi.org/10.1063/1.3143036
[12] S. Sultana, I. Kourakis, N.S. Saini, and M. A. Hellberg, Oblique electrostatic excitations in a magnetized plasma in the presence of excess superthermal electrons, Physics of Plasmas 17 (2010) 032310. https://doi.org/10.1063/1.3322895
[13] R.A. Cairns, A.A. Mamun, R. Bingham, P.K. Shukla, Ion-acoustic solitons in a magnetized plasma with nonthermal electrons, Physica Scripta, T63 (1996) 80.
[14] H.R. Pakzad, Ion acoustic solitary waves in plasma with nonthermal electron and positron, Physics Letters A 373, (2009) 847-850.
[15] K. Aoutou, M. Tribeche, T.H. Zerguini, Electrostatic solitary structures in dusty plasmas with non–thermal and superthermal electrons. Phys. Plasmas 15 (2008) 013702. 
[17] G. Nicolaou, G. Livadiotis, C.J. Owen, D. Verscharen, R.T. Wicks, Determining the Kappa distributions of space plasmas from observations in a limited energy range, Astrophys. J., 864 (2018) 1–11. doi: 10.3847/1538-4357/aad45d.
[18] F. Xiao, C. Shen, Y. Wang, H. Zheng, S. Wang, Energetic electron distributions fitted with a relativistic Kappa-type function at geosynchronous orbit, J. Geophys. Res., 113 (2008) A05203. doi: 10.1029/2007JA012903.
[19] M.R. Collier, D.C. Hamilton, The relationship between Kappa and temperature in energetic ion spectra at Jupiter, Geophys. Res. Lett., 22 (1995) 303–306. doi: 10.1029/94GL02997.
[20] P. Schippers et al., Multi-instrument analysis of electron populations in Saturn’s magnetosphere, J. Geophys. Res., 113 (2008) A07208. doi: 10.1029/2008JA013098.
[21] K. Scherer, H. Fichtner, M. Lazar, Regularized k-distributions with non-diverging moments, Europhys. Lett., 120 (2017) 50002. doi: 10.1209/0295-5075/120/50002.
[22] K. Oldham, J. Myland, J. Spanier, An Atlas of Functions. Springer Science and Business Media, (2000).
[23] Y. Liu, Solitary ion acoustic waves in a plasma with regularized κ-distributed electrons. AIP Adv 10 (2020) 085022.
[24] F.F. Lu, S.Q. Liu, Small amplitude ion-acoustic solitons with regularized κ-distributed electrons. AIP Advances 11 (2021) 085223.
[26] Y. Liu, M.L. Wang, Small amplitude solitary electron acoustic wave for hot electrons taking regularized kappa distribution. Contrib Plasma Phys (2024) e202400009.
[27] A. Shah, R. Saeed, Nonlinear Korteweg–de Vries–Burger equation for ion-acoustic shock waves in the presence of kappa distributed electrons and positrons, Plasma Physics and Controlled Fusion,  53 (2011) 9.
[28] S. Hussain, S. Mahmood, Hafeez Ur-Rehman, Ion acoustic shock waves in plasmas with warm ions and kappa distributed electrons and positrons, Phys. Plasmas, 20 (2013) 062102.
[29] M. Mehdipoor, Dissipative ion-acoustic waves in collisional electron-positron-ion plasmas with Kappa distribution, Contributions to Plasma Physics 59 (2019) 7. https://doi.org/10.1002/ctpp.201900006
[30] M.S. Alam, M.M. Masud A.A. Mamun, Effects of bi-kappa distributed electrons on dust-ion-acoustic shock waves in dusty superthermal plasmas, Chinese Phys. B 22 (2013) 115202.
[31] O. Rahman, Multi-component Dust-ion-acoustic Solitary and Shock Waves in an Unmagnetized Dusty Plasma with Kappa Distributed Superthermal Electrons, Advances in Astrophysics, 2 (2017) 2.
[32] I. Naeem, S. Ali, P.H. Sakanaka, A.M. Mirza, Formation of solitary waves and oscillatory shocklets in a two-temperature electron j–distributed plasma, PHYSICS OF PLASMAS 24 (2017) 042109. http://dx.doi.org/10.1063/1.4979675
[33] D. Dutta, D. Kolay, Nonlinear behaviour of ion acoustic shock waves in a two-electron temperature nonthermal complex plasma, Z. Naturforsch.  77 (2022) 1045–1062. https://doi.org/10.1515/zna-2022-0038
[34] S.Y. EL-Monier, A.S. EL-Helbawy, M.M. Elsayed M. Saad, The role of superthermal electrons and positrons on magnetized oscillatory shock waves, Pramana J. Phys. 98 (2024) 13. https://doi.org/10.1007/s12043-023- 02705-y
[35] A.M. El-Hanbaly, E.K. El-Shewy, M. Sallah, H.F. Darweesh, Linear and nonlinear analysis of dust acoustic waves in dissipative space dusty plasmas with trapped ions, J Theor Appl Phys 9 (2015) 167–176. DOI: 10.1007/s40094-015-0175-7
[36] W. Malfliet, W. Hereman, The tanh method. I. Exact solutions of nonlinear evolution and wave equations, Phys. Scr. 54 (1966) 563–568.

  • تاریخ دریافت 15 آبان 1403
  • تاریخ بازنگری 08 دی 1403
  • تاریخ پذیرش 30 تیر 1404