Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике Рассмотрим движение системы, близкой к интегрируемой, под действием внешнего шума. Резонансы в системе могут значительно усиливать внешнюю диффузию. В п. 5.5б мы уже познакомились с примером такого усиления классической диффузии за счет прохождения резонанса (см. рис. 5.17). Ниже мы рассмотрим усиление классических процессов переноса вдоль резонансов. Усиление возможно даже для автономной системы с двумя степенями свободы в том случае, когда внешний шум не сохраняет энергию, и система может двигаться вдоль резонансов. Такой процесс был исследован Теннисоном в работе [405 ], основные результаты которой и представлены в п. 6.3а. Родственный процесс диффузии самого резонанса был рассмотрен Чириковым [71] и Коэном и Раулэндсом [80] (п. 6.3б) ${ }^{2}$ ). Геометрическая картина. Вернемся к гамильтониану (6.1.7) резонансные и энергетические поверхности (линии) которого показаны на рис. 6.2. На рис. 6.16 в увеличенном масштабе изображен участок рис. 6.2, ограниченный пунктиром. Введем резонансное возмущение Вектор единственного резонанса $m_{R}=(6,-1)$ определяет направление фазовых колебаний вдоль невозмущенной энергетической поверхности, как показано на рис. 6.16. Пунктиром показана полная ширина резонанса, ограничивающая максимальную амплитуду фазовых колебаний. Центр колебаний лежит на линии резонанса в точке $A$. Рассмотрим теперь влияние не сохраняющего энергию внешнего шума, который мы будем характеризовать мгновенным смещением системы из точки $a$ в точку $b$ на расстояние $l$ (рис. 6.16). При этом центр колебаний сдвигается вдоль линии резонанса из точки $A$ в точку $B$ на расстояние Рис. 6.16. Резонансное каналирование (по данным работы [405]). где $R$ – число случайных смещений системы в единицу времени. Сравним это с классической диффузией по нормали к энергетической поверхности: Отсюда Расчет диффузии. Если коэффициент внешней диффузии $D_{0}$ не зависит от направления на плоскости $\left(I_{1}, I_{2}\right)$, то $D_{E}=D_{0}$ и $D_{\text {кан }}=$ $=D_{0} / \sin ^{2} \psi$. В случае анизотропной диффузии предположим, что тензор внешней диффузии имеет вид Введем новые переменные $I_{1}^{\prime}, I_{2}^{\prime}$, соответствующие повороту осей на угол $\theta$, так что ось $I_{2}^{\prime}$ направлена перпендикулярно энергетической поверхности (рис. 6.16). Имеем Подставляя эго соотношение в (6.3.5) и интегрируя по $I_{1}^{\prime}$, получаем где где $D^{i j}$ – компоненты исходного тензора внешней диффузии, а $\bar{D}_{0}$ – коэффициент изотропной диффузии. Если, например, то новые элементы длины равны После этого можно, но не обязательно, сделать формальное преобразование к новым переменным В обоих случаях диффузия будет изотропной. Эти преобразования иллюстрируются на рис. 6.17 для невозмущенного гамильтониана и тензора диффузии (6.3.9). В новых переменных (6.3.11) невозму. щенный гамильтониан (6.3.12) принимает вид Замена переменных соответствует производящей функции откуда Старое условие резонанса $\omega_{1}-\omega_{2}=0$ заменяется новым или в переменных действия Тем самым мы фактически пришли к модели невозмущенного гамильтониана (6.1.7). Используя (6.3.13) и (6.3.16), находим $\sin ^{2} \psi=$ $=4 D_{1} D_{2} /\left(D_{1}+D_{2}\right)^{2}$ и соответственно величину коэффициента диффузии центров колебаний в пространстве новых переменных Скорость диффузии в исходных переменных получается с помощью обратного преобразования переменных. Следуя Теннисону [405], рассмотрим пример резонансного каналирования для гамильтониана Рис. 6.18. Резонансное каналирование для модели (6.3.17) (по данным работы [405]). вдоль линии постоянной энергии. Наконец, вертикальное движение по обе стороны от точки $F$ есть результат медленной классической диффузии по $I_{2}$ вдали от резонанса. Резонансное каналирование возможно лишь для достаточно сильного (широкого) резонанса, когда время внешней диффузии поперек резонанса велико по сравнению с периодом фазовых колебаний Здесь $\Delta I_{R}$ и $D_{\perp R}$ – полная ширина резонанса и скорость внешней диффузии, перпендикулярная линии резонанса, а $\tilde{\omega}_{R}$ – частота фазовых колебаний. В примере Теннисона $\Delta I_{R} \approx 3 \times 10^{-3}$, $D_{\perp R} \approx 10^{-8}, \tau_{D} \approx 450, \tilde{\omega}_{R} \approx 0,03$, так что условие $\tilde{\omega}_{R} \tau_{D} \approx$ $\approx 14>2 \pi$ выполняется. Резонансное каналирование при условии (6.3.18) соответствует так называемой банановой диффузии частиц в тороидальных магнитных ловушках при редких столкновениях. Такое название происходит от формы инвариантных кривых внутри резонанса (см. рис. $6.22, a)^{2}$ ). С ростом уровня шума условие (6.3.18) перестает выполняться и происходит переход к режиму, при котором скорость диффузии не зависит от величины шума,- к так называемому режиму плато ${ }^{2}$ ). Чириков [71] и Коэн и Раулэндс [80] исследовали этот режим на модели, описанной в п. 6.3б. Мы отложим обсуждение этого режима до § 6.4, где рассматривается диффузия частиц в тороидальных магнитных ловушках при наличии резонансов. Наконец, при еще большей интенсивности шума резонансная структура уже не играет никакой роли, и возникает третий режим чисто классической диффузии. В § 6.4 мы обсудим также и этот режим. Средняя скорость диффузии в системе со многими (неперекрывающимися) резонансами зависит также от доли фазового пространства, занятого резонансами. Резонансное каналирование имеет место и в многомерных системах [405]. Внешняя диффузия усиливается вдоль резонансной поверхности в направлении проекции на нее вектора резонанса $\left.{ }^{3}\right) \boldsymbol{m}_{R}$. Теннисон [405] полагает, что такого типа диффузия может быть причиной «раздувания» встречных пучков в накопительных кольцах. Возможно также, что подобное усиление диффузии имеет место и в различных установках магнитного удержания и нагрева плазмы. Теннисон отметил также, что в диссипативных системах с затуханием по обеим степеням свободы резонансное каналирование может привести к быстрому увеличению одной из переменных действия. Он сравнивает это с движением парусной лодки против ветра. Представим себе, что на рис. 6.16 лодка находится в точке $a$ и может двигаться только вдоль линии резонанса. Пусть плоскость паруса параллельна вектору $\boldsymbol{m}_{R}$, а ветер, диссипативная сила, давит в направлении от $a$ к $b$. Тогда если наклон линии резонанса отрицательный, то результирующая сила будет направлена от $A$ к $B$, и лодка будет идти «на ветер» по $I_{2}$, хотя при этом полная энергия системы будет уменьшаться. Модельное отображение. Рассмотрим явное отображение поворота (3.1.17) где $J, \theta$ – канонические переменные, а $\mu$ – дополнительный параметр. Вводя периодическую $\delta$-функцию, эти уравнения можно записать в форме гамильтоновых дифференциальных уравнений типа (3.1.34). Пусть теперь изменение параметра $\mu$ описывается независимым уравнением где $\zeta_{n}$ – случайная переменная. Тогда в системе (6.3.19) с $\mu=$ $=\mu_{n+1}$ возникает внешняя диффузия, аналогичная описанной в п. 6.3а. Такой подход использовался Чириковым [71] и Коэном и Раулэндсом $[80]$ при исследовании процессов переноса в магнитных ловушках. Для упрощения анализа линеаризуем отображение (6.3.19) по переменным $J$ и $\mu$ в окрестности $\mu=\mu_{0}$ и неподвижной точки $\left(J_{0}, \theta_{0}\right)$, положив $\theta_{0}=0$ и определив $J_{0}$ из уравнения $\alpha\left(J_{0}, \mu_{0}\right)=k$, где $k$ – целое число. В результате получаем расширенное стандартное отображение: где Здесь $K$ – параметр стохастичности; $\xi_{n}$ – нормированная случайная переменная: $\left\langle\xi_{n}\right\rangle=0$ и $\left\langle\xi_{n}^{2}\right\rangle=1$, а Если $K \gg 1$, то резонансы перекрываются и диффузия по $I$ определяется приближенно квазилинейным выражением (5.4.21б): В этом случае фаза $\theta$ является полностью стохастической, и диффузия не зависит от внешнего шума по параметру $\mu$. При $\tau \ll 1$ внешний шум полностью хаотизирует $\theta$ за одну итерацию отображения, и скорость диффузии оказывается предельной (6.3.26) независимо от величины $K$. Нас, однако, интересует случай совместного действия резонансов и внешнего шума (ср. п. 6.3a), который имеет место при выполнении условий В этой области изменения переменных $I$ и $P$ за одну итерацию малы, так что разностные уравнения (6.3.21) можно аппроксимировать следующей системой дифференциальных уравнений ${ }^{1}$ ): Диффузия резонанса. Уравнения (6.3.28а) и (6.3.28б) имеют гамильтониан описывающий «блуждающий» резонанс с центром при $I=-P(n)$. Используя (6.3.25), получаем Локальный коэффициент диффузии внутри резонанса ${ }^{1}$ ) равен Это выражение справедливо при условии, что траектория остается внутри резонанса в течение многих периодов фазовых колебаний, т. е. что параметр Здесь $\omega_{0}$ – частота фазовых колебаний, а $\tau_{d}$ время внешней диффузии через резонанс. Поскольку ширина резонанса $\sim K^{1 / 2}$, то из (6.3.30) получаем оценку С другой стороны, частота фазовых колебаний $\omega_{0} \approx$ $\approx K^{1 / 2}$, и условие (6.3.32a) принимает вид Фактически замена переменных показывает, что $S$ является единственным параметром уравнений (6.3.28). Рис. 6.19. Связь между резонансным каналированием (a) (п. 6.3а) и диффузией резонанса (б) (п. 6.3б). Хотя локальный коэффициент диффузии представляет некоторый интерес и сам по себе, более важно знать среднюю скорость диффузии. Ее можно найти следующим образом. Если пренебречь диффузией вне резонанса (ср. п. 5.5б) ${ }^{1}$ ), то средняя скорость диффузии пропорциональна доле времени, проводимого траекторией внутри резонанса, которая в свою очередь пропорциональна фазовой площади, занимаемой резонансом. Используя гамильтониан (6.3.29) и учитывая периодичность исходного отображения (6.3.21) по $I$, получаем для относительной фазовой площади резонанса Отсюда средний коэффициент диффузии Помимо диффузии вместе с резонансом происходит еще и диффузия внутри резонанса. Последний эффект был рассмотрен Коэном и Раулэндсом [81], которые получили поправку к (6.3.31) при $K \ll 1$ : Неясно, однако, справедлива ли эта поправка в случае длительной диффузии при многократном попадании в резонансы. Қак бы то ни было, эта поправка составляет всего около $50 \%$. По-видимому, такого же порядка и другие ошибки, в частности, из-за приближений вблизи сепаратрисы ${ }^{2}$ ). Поэтому можно принять выражение (6.3.33) в качестве разумной оценки средней скорости диффузии. Связь с резонансным каналированием. Сравним расчет козффициента диффузии вдоль резонанса $D_{\text {кан }}$ в п. 6.3 а с проведенным выше расчетом $D_{r}$. Мы покажем, что при некоторых упрощающих предположениях эти задачи можно связать друг с другом. Рис. 6.19, а напоминает схему расчета $D_{\text {кан }}$. Внешняя диффузия с коэффициентом $D_{\perp E}$ перпендикулярно энергетической поверхности вызывает диффузию вдоль резонанса со скоростью На рис. $6.19,6$ показано то же самое в новых переменных $I_{1}^{\prime}, I_{2}^{\prime}$, так что внешняя диффузия с коэффициентом $D$ идет теперь по линии $I_{2}^{\prime}$, а вектор резонанса $m$ направлен по $I_{1}^{\prime}$. При этом величина $D_{\perp E}$ и угол $\psi$ не изменяются. Наконец, на рис. 6.19 , в мы еще раз переходим к новым переменным что эквивалентно растяжению масштаба по $I_{2}^{\prime}$ в $\operatorname{ctg} \psi$ раз. Рассматривая $P$ как параметр и используя (6.3.30), находим, что компонента диффузии по $I$ равна $D_{r}=D_{P}$. Сравнивая (6.3.35) и (6.3.4), получаем Этим устанавливается соответствие между резонансным каналированием и диффузией резонанса ${ }^{1}$ ). Аналогичные соотношения можно получить и для многих степеней свободы, используя ортогональную метрику, описанную Чириковым [70].
|
1 |
Оглавление
|