具有对离子的五组分等离子体中的斜孤波

摘要

我们研究了不同质量的离子对由带正电荷和负电荷的较重离子(尘埃)、氢离子和较热电子和较冷电子组成的五组分等离子体中斜孤波的影响。其中，较重的离子和较冷的光电子是解说源，而其他两个是太阳源;电子被描述为kappa分布。推导了K-dV方程，绘制了与哈雷彗星相关参数的孤子振幅和宽度等不同属性。我们发现较重的离子对孤波的振幅和宽度有很大的影响。

关键字

五组分等离子体;Kappa描述了电子;约简摄动技术;KdV方程和孤子

多离子等离子体存在于许多空间区域，如地球电离层、中间层、太阳大气层、解说环境等。等离子体是研究人员特别感兴趣的评论，因为存在各种各样的离子:除了来自太阳的电子和质子，光离导致产生H⁺和O⁺来自解说大气中存在的水分子，以及相关的光电子[1]。此外，在哈雷彗星上还观察到几个带正电荷的热的较轻和较重的离子[2-5]。此外，乔托飞船在哈雷彗星上观测到能量在0.03到3.0 keV之间、质量峰值在7- 19,22 -65和85-110 amu范围内的负电荷离子，为等离子体研究提供了一个新的维度，其中负电荷离子物种作为离子对[6]。后来，许多研究都是在同一等离子体环境中同时带正电荷和负电荷的尘埃粒子[7]而前者的规模较小，后者的规模较大[8]。

近十年来，人们对不同等离子体环境中波的不同非线性传播进行了广泛的研究[9-14]。这包括带有冷尘埃的等离子体和由kappa分布函数描述的电子和/或离子[15]以及冷尘埃、绝热流体离子和kappa描述电子[16]。

解说等离子体环境中的光电离会产生光电子，而光电子又是除典型的太阳热电子之外的主要第二电子成分。例如，Zwickl等人。17]，在Giacobini-Zinner彗星上，用ICE航天器上的电子光谱仪观测到这些光电子来自注释中性的光电离。此外，Bhardwaj在一项与彗星产气率有关的研究中观察到高能光电子的产生[18]。

高能粒子在等离子体中的存在偏离了典型的麦克斯韦型到非麦克斯韦型“卡帕分布”，这是一个事实。这种分布最早是由瓦西留纳斯利用高能太阳风数据预测的[19];这种分布已经被用来模拟许多空间和天体物理环境。

因此，我们研究了这种五组分等离子体中尘埃离子声孤波的特征，其中电子用kappa分布建模。我们发现不同的重离子对孤波的振幅和宽度有显著的影响。

基本方程

我们对五组分等离子体中的孤波感兴趣。较重的离子(尘埃)和较轻的离子(氢)成分被视为冷离子，而这两个电子都被描述为玻耳兹曼分布

（1)

在哪里年代=se或ce。

(1) s为物种(年代=se对于太阳电子和年代=ce用于评论光电子)。n表示密度(下标0表示平衡值)，e_年代电荷,T_年代温度和K_年代物种的光谱指数。k_B是玻尔兹曼常数，ψ是势。

给出了氢离子和尘对粒子的连续性方程和运动方程的归一化形式以及泊松方程

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

第(2)至(8)段n_我，n₁和n₂氢离子，负的和正的尘埃数密度，是否按它们的平衡值归一化n_i0，n₁₀和n_20.分别。u_我，u₁和u₂对应的流体速度是否都是标准化的ψ，现在是无因次的电势，由。空间变量和时间变量分别用德拜长度归一化和等离子体频率的倒数。也和,在那里n_s0是物种s的平衡密度。T_年代和T₁分别为物种的温度和负尘埃的温度。米_我，米₁和米₂氢离子的质量分别是带负电和正电的尘埃粒子吗子(= 1)，Z₁和Z₂是对应的电荷号。

为了研究小振幅的非线性波，我们导出了带有新变量ξ和τ的K-dV方程:在哪里l_j用余弦表示方向j=x，y或z;满足关系， M为马赫数和。

上式中的物理量可以渐近地表示为的幂级数ε关于均衡值:

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

其中k=i(离子)，1(带负电荷的较重离子/灰尘)或2(带正电荷的较重离子/灰尘)在((2)-(8)中使用((9)-(13))，并等于不同的幂ε，可由式(8)导出K-dV方程为[20.］

(14)

K-dv方程的解

对于K-dV方程(14)的解，我们使用变换其次是Kolebage和Oyewande [21]。K-dV方程的解是

在哪里分别为孤子的振幅和宽度。

结果与讨论

我们的方程对电荷数的任意值都成立Z₁和Z₂对较重的/粉尘颗粒。然而，我们在这里使用的是在哈雷彗星上观测到的参数:氢离子的密度n_i0= 4.95厘米³这些离子的温度Ti=8 × 10⁴K太阳电子温度T_se=2 × 10⁵K［1]。二次光电子的温度设定为T_ce=2 × 10⁴K。带负电的较重的离子在能量为1的量级上被检测到电动汽车密度≤1厘米⁻³在7-19 amu峰中，带负电荷的氧离子被明确地识别出来[6]。

图1是孤波振幅的图吗ψ_米而不是cos的方向l_x作为函数μ_我(归一化氢密度)。下、中、上曲面表示他，C和O离子分别。该图的其他参数为:l_yK = 0.2,_ce= 7/2, K_se= 13/2, z₁z = 1,₂n = 2,₁₀= 0.1厘米⁻³n_20.= 1厘米⁻³T_se=2 × 10⁵K, T_ce=2 × 10⁴K, T_他=1.8 × 10⁴K, T_c=1.5 × 10⁴K和T_O=1.16 × 10⁴K。从图中可以看出，孤子振幅随传播倾斜度的增大而增大;它几乎是独立的μ_我(对于质量较大的较重粒子)。孤子的振幅随着较重离子质量的增加而减小。

图2是孤波振幅的图吗ψ_米与μ_se(标准化太阳电子密度)的函数μ_我(归一化氢密度)。下、中、上曲面表示他，C和O离子分别。该图的其他参数为:l_xl =_yK = 0.2,_ce= 7/2, K_se= 13/2, z₁z = 1,₂n = 2,₁₀= 0.1厘米⁻³n_20.= 1厘米⁻³T_se=2 × 10⁵K, T_ce=2 × 10⁴K, T_他=1.8 × 10⁴K, T_c=1.5 × 10⁴K和T_O=1.16 × 10⁴K。在这里，孤子的振幅随着尘埃粒子质量的增加而减小。我们发现孤子振幅敏感地依赖于太阳电子，尤其是质量较轻的对离子。

接下来,在图3，我们研究了宽度的依赖关系W在归一化的太阳电子温度上的孤波是方向余弦的函数l_x。上、中、下三面分别用于他，C和O离子分别。该图的其他参数为:l_xK = 0.2,_ce= 7/2, K_se= 13/2, z₁z = 1,₂n = 2,₁₀= 0.1厘米^3.n_20.= 1厘米⁻³n_i0= 4.95厘米^{= 3}T_ce=2 × 10⁴K, T_他=1.8 × 10⁴K, T_c=1.5 × 10⁴K和T_O=1.16 × 10⁴K。从图中可以看出宽度W几乎与σ_se。然而，在所有情况下，宽度是平行方向和垂直方向的最小值[22]。

最后,图4描述了孤子宽度W随太阳电子kappa指数的变化K_se作为注释电子kappa指数的函数K_ce不同的重离子。下、中、上表面分别用于O，C和他离子分别。该图的其他参数为:l_xl =_yz = 0.2,₁z = 1,₂n = 2,₁₀= 0.1厘米^3.n_20.= 1厘米⁻³n_i0= 4.95厘米⁻³T_ce=2 × 10⁴K, T_他=1.8 × 10⁴K, T_c=1.5 × 10⁴K和T_O=1.16 × 10⁴K。从图中可以看出，孤波的宽度随着离子对质量的增加而增加。与太阳电子相比，注释电子的kappa指数对孤波宽度的影响更大。

结论

本文研究了不同质量的离子对五组分等离子体中斜向传播孤立波的影响。这五种成分分别是氢离子和来自太阳的热电子;一对电荷相反的较重的离子(尘埃)和较冷的、来自注解的光电子。我们发现，不同的重离子对对孤波的振幅和宽度有很大的影响。我们的关系可以适用于许多空间等离子体环境[23-27]。

致谢

感谢来自大学资助委员会(EF)、科学技术部(FIST和PURSE项目)和喀拉拉邦科学、技术和环境委员会(JRFs)的财政援助。

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