Дисциплины Курс по выбору «Плазменная астрофизика»

жүктеу/скачать 125.26 Kb.

Дата	30.06.2016
өлшемі	125.26 Kb.
	#167650
түрі	Аннотация дисциплины

Плазменная астрофизика
Лектор:

Д.ф.-м.н., проф., зав. отделом физики Солнца ГАИШ МГУ, Сомов Борис Всеволодович (для кафедры астрофизики и звездной астрономии физического факультета МГУ), somov@sai.msu.ru, (495) 939-19-73

Аннотация дисциплины

Курс по выбору «Плазменная астрофизика» объединяет в себе практически все направления современной астрофизики с точки зрения плазменных и гидродинамических явлений в астрономических объектах: одиночных и двойных звездах, аккреционных дисках и их коронах, релятивистских джетах, галактиках и внегалактических объектах. Состоит из шести частей. Первая часть вводит основные понятия и принципы плазменной астрофизики, определяет задачи и структуру курса. Вторая часть посвящена кинетическим процессам в астрофизической плазме. В третьей части рассматриваются неустойчивости и турбулентность. Макроскопическому описанию плазмы посвящена четвертая часть. В пятой части рассматриваются разрывные плазмы в астрофизических условиях. С проблемами ускорения частиц до высоких энергий студенты знакомятся в шестой части курса.

Цели освоения дисциплины

Идея курса состоит в последовательном применении физических принципов, начиная с наиболее общих, и упрощающих предположений, которые позволяют получать все более простые описания плазмы в астрофизических условиях. На основе такого подхода студенты приобретают способность самостоятельно находить ответы на два ключевых вопроса современной астрофизики: 1) какое приближение является наилучшим (простейшим, но достаточным) для описания изучаемого астрофизического явления в астрофизической плазме, 2) как построить адекватную модель явления, например, модель вспышки в короне релятивистского компактного объекта.

Задачи дисциплины

Курс позволяет взглянуть на современную астрофизику не с классической точки зрения морфологии и классификации астрономических объектов и явлений, а с более общих позиций – общности физических процессов в астрофизической плазме, во многих ее проявлениях. Курс имеет своей задачей формирование астрофизиков широкого профиля, владеющих современными методами и практическими приемами в плазменной астрофизике. В методическом плане курс «Плазменная астрофизика» является пропедев-тическим. Он не требует предварительного изучения теоретической физики и физики плазмы, доступен студентам третьего курса на астрономическом отделении. Одна из задач курса дать студентам все необходимые для дальнейшего более специализированного изучения астрофизики.

Компетенции.

Компетенции необходимые для освоения дисциплины:

С-ОНК-1, С-ОНК-5,С-ОНК-6

Компетенции формируемые в результате освоения дисциплины:

С-СК-3, С-ПК-1,

С-ПК-2, С-ПК-4

Требования к результатам освоения содержания дисциплины.

В результате освоения дисциплины «Плазменная астрофизика» студент должен усвоить фундаментальные принципы гидродинамики и физики плазмы применительно к широкому кругу астрофизических явлений и объектов, овладеть знаниями и навыками современных аналитических и численных методов решения актуальных астрофизических задач.

Содержание и структура дисциплины.

Вид работы	семестр	Всего
Вид работы	5
Общая трудоёмкость, акад.часов	34	34
Аудиторная работа:
Лекции, акад. часов	34	34
Семинары, акад. часов
Лаб. работы, акад. часов	0	0
Самостоятельная работа, акад.часов
Вид итогового контроля	Экз.

N
раз-
дела

Наименование
раздела
Разделы могут объединять несколько лекций

Трудоёмкость (академических часов) и содержание занятий

Распределение общей трудоёмкости по семестрам указано в рабочих планах (приложение 7)

Форма
текущего
контроля

Аудиторная работа

Самостоятельная работа

Содержание самостоятельной работы должно быть обеспечено, например, пособиями, интернет-ресурсами, домашними заданиями и т.п.

Лекции

Семинары

Лабораторные работы

раздел 1

Введение. Предмет, задачи и структура курса «Плазменная астрофизика»

2 часа.

Основные понятия: частицы и поля, точное само-согласованное описание. Общая постановка задачи для частиц в электромагнитном и гравитационном поле. Начальные и граничные условия. Теорема Лиувилля для точной функции распределения. Космическая плазма и гравитационные системы.

нет

Об, Оп

2 часа.

Статистическое описание астрофизической плазмы. Столкновительный интеграл и корреляционные функции. Парные столкновения. Малые параметры кинетической теории. Уравнение Власова. Интеграл столкновений Ландау. Уравнение Фоккера-Планка. Корреляционные функции и дебаевское экрани-рование.

Раздел 2.

Кинетические процессы в астрофизической плазме

2 часа.

Распространение ускоренных частиц в астрофизической плазме. Общий вид кине-тического уравнения для быстрых элект-ронов и ионов. Кинетическое уравнение при больших скоростях. Модель толстой мише-ни. Приближенный учет рассеяния. Эффект обратного тока. Трехмерные самосогла-сованные кинетические модели.

нет

Об, Оп

2 часа.

Движение частицы в заданных полях. Электрический и гравитационный дрейфы. Слабонеоднородные медленно меняющиеся поля. Градиентный и инерционный дрейфы. Адиабатические инварианты в космической плазме. Ускорение Ферми. Турбулентность. Точность адиабатического приближения.

2 часа.

Магнитное пересоединение. Простейшая иллюстрация пересоединения в вакууме. Пересоединение в плазме. Токовые слои. Три стадии процесса пересоединения. Уско-рение частиц в нейтральном токовом слое.

нет

Об, Оп

Раздел 3.

Неустойчивости и турбулентность в бесстолкновительной и столкновительной плазме

2 часа.

Взаимодействие частица-волна в астрофизи-ческой плазме. Линеаризованное уравнение Власова. Резонанс Ландау и затухание Ландау. Пучковые неустойчивости. Гиро-резонанс. Стохастическое ускорение частиц волнами.

2 часа.

Теория турбулентности Холмогорова-Обухова. Турбулентные каскады в МГД. Ускорение электронов и ионов в солнечных вспышках. Релятивистская электрон-по-зитронная плазма. Черенковское излучение.

нет

Об, Оп

2 часа.

Кулоновские столкновения в плазме. Близ-кие и далекие столкновения. Частицы в маг-нитных ловушках. Дебаевское экраниро-вание и плазменные колебания. Столкнови-тельные релаксации в космической плазме.

2 часа.

Двухтемпературная плазма в солнечных вспышках и аккреционных дисках реляти-вистских объектов. Динамическое трение. Эффект электрического убегания. Тепловое убегание в космической плазме. Грави-тационное трение в бесстолкновительных системах.

Раздел 4.

Макроскопическое описание астрофизической плазмы

2 часа.

Макроскопическое описание астрофизи-ческой плазмы. Моменты функции распре-деления. Уравнения для моментов. Общие свойства уравнений переноса. Уравнение состояния и коэффициенты переноса. Гравитационные системы. Обобщенный закон Ома в космической плазме. Волны в двухкомпонентной плазме.

нет

Об, Оп

2 часа.

Магнитная гидродинамика. Основные предположения. Полная система уравнений нерелятивистской МГД. Релятивистская МГД. Сохранение магнитного потока, идеальная МГД. Главные приближения в МГД. Аккреционные диски звезд. Черные дыры. Астрофизические коллимированные выбросы (джеты). Электромагнитные аналоги слабого гравитационного поля.

2 часа.

Течения космической плазмы в сильных магнитных полях. Система уравнений МГД для сильного магнитного поля. Формализм двумерных задач. Существование непрерыв-ных течений. Течение в поле переменного диполя. МГД моделирование «космической погоды». Магнитосфера акреционного диска.

Об, Оп

2 часа.

МГД волны в астрофизической плазме. Дисперсионное уравнение в идеальной МГД. Волны малой амплитуды: энтропийные, альвеновские и магнитозвуковые. Диаграм-мы фазовых скоростей. Диссипативные волны.

раздел 5

Разрывные течения астрофизической плазмы

2 часа.

Разрывные течения в МГД. Граничные усло-вия на поверхностях разрывов. Класси-фикация МГД разрывов по Сыроватскому. Ударные волны. Волны включения и выключения. Альвеновский разрыв. Непре-рывные переходы между разрывными решениями МГД. Ударные волны в бес-столкновительной плазме.

Об, Оп

2 часа.

Эволюционность разрывных МГД течений. Условия эволюционности. Области эволюци-онности. Следствия эволюционности. Порядок распространения волн. Непрерывные переходы между разрывами. Диссипативные эффекты в эволюционности. Структура разрывов и эволюционность.

раздел 6

Ускорение частиц в астрофизической плазме

4 часа.

Ускорение частиц на ударных волнах. Диффузионный механизм ускорения. Линей-ные и нелинейные эффекты. Дрейфовый механизм ускорения. Квазиперпендикуляр-ные ударные волны. Коллапсирующие магнитные ловушки на Солнце и в межпланетном пространстве. Ускорение в пересоединяющих токовых слоях. Косми-ческие лучи.

Об, Оп

Семинары и лабораторные работы указываются только при их наличии в учебном плане (приложение 6). Остальные позиции заполняются в обязательном порядке.

Предусмотрены следующие формы текущего контроля успеваемости.

1. Защита лабораторной работы (ЛР);

2. Расчетно-графическое задание (РГЗ);

3. Домашнее задание (ДЗ);

4. Реферат (Р);

5. Эссе (Э);

6. Коллоквиум (К);

7. Рубежный контроль (РК);

8. Тестирование (Т);

9. Проект (П);

10. Контрольная работа (КР);

11. Деловая игра (ДИ);

12. Опрос (Оп);

15. Рейтинговая система (РС);

16. Обсуждение (Об).

Место дисциплины в структуре ООП ВПО
1. По выбору
2. Базовая часть, профессиональный блок, модуль «Астрономия»
3. Лекции «Плазменная астрофизика» являются вспомогательными для всех астрономических курсов, поскольку в них идет речь об основополагающих понятиях и принципах, используемых в современной астрофизике. Лекции неоднократно читались на 4-м курсе, что неоправданно поздно. Имеет смысл их читать на 3-м курсе на астрономическом отделении.

3.1 Курсы «Общей физики» и «Общей астрономии»

3.2 Остальные курсы из модуля «Астрономия»

Образовательные технологии

Курс имеет электронную версию для презентации. Лекции читаются с использованием современных мультимедийных возможностей и проекционного оборудования. Занятия могут проходить на русском или английском языках.

Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации

Промежуточная аттестация проводится на 8 неделе в форме опроса с оценкой. Критерии формирования оценки – уровень знаний пройденной части курса.

Текущая аттестация проводится еженедельно. Критерии формирования оценки – посещаемость занятий, активность студентов на лекциях.

Экзаменационные билеты:
1. Основные понятия: частицы и поля, точное самосогласованное описание.
2. Теорема Лиувилля для точной функции распределе Тепловое убегание в космической плазме.ния.
3. Столкновительный интеграл и корреляционные функции.
4. Кинетическое уравнение при больших скоростях.
5. Взаимодействие частица-волна в астрофизической плазме.

6. Градиентный и инерционный дрейфы.

7. Тепловое убегание в космической плазме.
8. Корреляционные функции и дебаевское экранирование.
9. Электрический и гравитационный дрейфы.
10. МГД волны в астрофизической плазме.
11. Течения космической плазмы в сильных магнитных полях.
12. Ускорение частиц на ударных волнах.
13. Диффузионный механизм ускорения.
14. Эволюционность разрывных МГД течений.
15. МГД волны в астрофизической плазме.
16. Волны включения и выключения.
17. Кулоновские столкновения в плазме.
18. Эффект обратного тока.
19. Обобщенный закон Ома в космической плазме.
20. Дебаевское экранирование и плазменные колебания.
21. Сохранение магнитного потока, идеальная МГД.
22. Малые параметры кинетической теории.

Учебно-методическое обеспечение дисциплины

Основная литература

Сомов Б.В., Космическая электродинамика и физика Солнца, Из-во Московского Университета, М., 1993, Учебное пособие.

Дополнительная литература

Somov B.V., Plasma Astrophysics, Part I, Fundamentals and Practice, Second Edition, Springer SBM, New York, 2013.

Somov B.V., Plasma Astrophysics, Part II, Reconnection and Flares, Second Edition, Springer SBM, New York, 2013.
Периодическая литература

Сомов Б.В., О возможности быстрого пересоединения магнитного поля и ускорения частиц в неравновесной магнитосфере релятивистской звезды, Астроном. журн., 88 (11), 1045--1060, 2011.

Интернет-ресурсы

1. http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4614-4295-0

Материально-техническое обеспечение

В соответствии с требованиями п.5.3. образовательного стандарта МГУ по специальности «Астрономия» имеются: аудитории №26 и 48 в здании ГАИШ МГУ, проекционное оборудование и ноутбуки.

жүктеу/скачать 125.26 Kb.

Достарыңызбен бөлісу: