Space Plasma - NEVF145

• Title: Plazma v kosmickém prostoru
• Guaranteed by: Department of Surface and Plasma Science (32-KFPP)
• Faculty: Faculty of Mathematics and Physics
• Actual: from 2020
• Semester: summer
• E-Credits: 5
• Hours per week, examination: summer s.:2/1, C+Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech, English
• Teaching methods: full-time
• Additional information: https://physics.mff.cuni.cz/kfpp/rozvrh.html
• Guarantor: prof. RNDr. František Němec, Ph.D.; prof. RNDr. Zdeněk Němeček, DrSc.
• Teacher(s): prof. RNDr. František Němec, Ph.D.; Gilbert Pi, Ph.D.

Annotation

English

Introduction to space physics, plasma and dusty plasmas. Motions of charged particles in E and B time-varying electromagnetic fields. Fundamental equations of magnetohydrodynamics, magnetic reconnection. Sun, solar wind plasma and interplanetary magnetic field, solar wind interaction with obstacles. Formation of the Earth´s magnetosphere and its dynamics.

Last update: Pavlů Jiří, doc. RNDr., Ph.D. (24.01.2019)

Czech

Úvod do kosmické fyziky - kosmické a prachové plazma. Pohyb nabitých částic v silových polích, aplikace pohybů na magnetosféru, radiační pásy. Základy magnetohydrodynamiky, přepojování magnetických polí. Slunce jako zdroj meziplanetárního plazmatu, sluneční vítr, meziplanetární magnetické pole. Interakce slunečního větru s překážkami (magnetickými a nemagnetickými). Formování magnetosféry a dynamické procesy v magnetosféře.

Last update: Pavlů Jiří, doc. RNDr., Ph.D. (24.01.2019)

Course completion requirements

Podmínkou zakončení předmětu je úspěšné složení zkoušky, tj. hodnocení zkoušky známkou "výborně", "velmi dobře" nebo "dobře". Zkouška musí být složena v období předepsaném harmonogramem akademického roku, ve kterém student předmět zapsal. Nutnou podmínkou připuštění ke zkoušce je úspěšné získání zápočtu.

Zápočet se uděluje za vypracování všech úloh tvořících náplň cvičení a jejich úspěšnou prezentaci cvičícímu ústní či písemnou formou, v závislosti na dohodě se cvičícím. Povaha kontroly studia předmětu vylučuje opakování této kontroly, zápočet se tedy opakovat nedá.

Last update: Pavlů Jiří, doc. RNDr., Ph.D. (01.06.2020)

Literature

Chen F. F.: Úvod do fyziky plazmatu, Academia, Praha 1984.

Kivelson M. G., Russell C. T.: Introduction to Space Physics, Cambridge, University Press, 1995.

Goldston R. J., Rutherford P. H.: Introduction to Plasma Physics, IOP Publishing, Ltd. 1995.

Last update: T_KEVF (09.05.2005)

Requirements to the exam

Zkouška je ústní. Požadavky na její úspěšné složení odpovídají sylabu předmětu v rozsahu, který byl prezentován na přednášce.

Last update: Němec František, prof. RNDr., Ph.D. (06.10.2017)

Syllabus

English

1. Introduction to space physics
Definition space plasma, parameters and differences between laboratory and space plasmas. Maxwellian distribution function of velocities, drifting Maxwellian distribution, calculation of moments. Collective behavior, Debye shielding.

2. Dusty plasma
Determination of dusty plasma and dusty in the plasma. Dusty plasma applications in the space and in laboratory experiments - examples and impact.

3. Motions of charged particles in E and B time-varying electromagnetic fields
Gyration around the guilding center, ExB drift, grad B drift mechanism, curvature drift, drift in field of a general force. Magnetic moment and its conservation, magnetic mirrors. Fermi acceleration. Applications on magnetospheric processes (ring current and radiation belts).

4. Fundamental equations of magnetohydrodynamics
Freezing of magnetic field, magnetic field diffusion, consequences and limitations of MHD approximation, magnetic reconnection. Wave processes in a plasma - Alfvén, and magnetosonic waves, non-linear effects.

5. Sun as a source of space plasma
Processes inside the Sun, solar corona formation, solar magnetic field, solar activity cycles.

6. Solar wind and interplanetary magnetic field (IMF)
History of solar wind discovery, Parker theory of the solar wind. Solar wind parameters and their variations, form of IMF structure. Significant instabilities in the solar wind (MC, CME, CIR, HFA), interplanetary shocks.

7. Solar wind interaction with obstacles
Formation of the Earth's magnetosphere, magnetospheric boundaries and regions (magnetopause, etc.). Bow shock creation, bow shock processes, foreshock, magnetosheath (observations, simulations, and theories).

8. Used coordinate systems
Definition of different coordinate systems (GSE, GSM, SM) and their transformation, geographic and geomagnetic coordinates, local time.

9. Formation of the magnetosphere
Magnetic reconnection at the magnetopause for different orientation of IMF, influence of reconnection on magnetopause shape and position. Magnetospheric regions (cusp, low-latitude boundary layer, plasma mantle, plasma sheet, plasma sheet boundary layer, lobes, plasmasphere). Magnetic field models, mapping of magnetospheric regions to auroral regions.

10. Magnetospheric dynamics
Geomagnetic indices (Dst, Kp, AE). Initiation and evolution of geomagnetic storms and substorms. Auroral precipitation (discrete and diffuse aurorae), magnetospheric configuration changes as a result of IM orientation.

Last update: Pavlů Jiří, doc. RNDr., Ph.D. (24.01.2019)

Czech

1. Úvod do kosmické fyziky
Definice kosmického plazmatu, parametry laboratorního a kosmického plazmatu. Maxwellovské rozdělení rychlosti, rychlostní rozdělení s driftem, výpočet momentů rozdělení. Kolektivní jevy v plazmatu - stínění.

2. Prachové plazma
Definice prachového plazmatu a prachu v plazmatu. Aplikace prachového plazmatu v kosmickém prostoru a v laboratořích - příklady a význam.

3. Pohyb nabitých částic v silových polích
Rotace kolem gyračního středu, E x B drift, grad B drift, drift v poli obecné síly, drift zakřivení. Magnetický moment částice, magnetická zrcadla, Fermiho urychlování částic, aplikace na procesy v magnetosféře (kruhový proud a radiační pásy).

4. Základní rovnice magnetohydrodynamiky
Zamrznutí magnetického pole, difúze magnetického pole, důsledky a meze aplikovatelnosti MHD přiblížení, přepojování magnetických polí. Vlnové procesy v plazmatu - Alfvénovy vlny, magnetozvukové vlny, nelineární jevy.

5. Slunce jako zdroj meziplanetárního plazmatu
Procesy v nitru Slunce, formování sluneční korony, magnetické pole Slunce, sluneční cykly.

6. Sluneční vítr a meziplanetární magnetické pole
Historie objevu slunečního větru, Parkerova teorie slunečního větru. Parametry slunečního větru a jejich variabilita, struktura meziplanetárního magnetického pole. Významné poruchy ve slunečním větru (MC, CME, CIR, HFA), meziplanetární rázové vlny.

7. Interakce slunečního větru s překážkami
Vznik magnetosféry Země - magnetopauza a další oblasti. Formování rázové vlny, procesy na rázové vlně, forešok, přechodová oblast v experimentech a teorii.

8. Nejpoužívanější systémy souřadnic
Definice systémů souřadnic - GSE, GSM, SM, geografické a magnetické souřadnice, lokální čas.

9. Formování magnetosféry
Přepojování magnetických polí na magnetopauze při různé orientaci meziplanetárního pole, vliv přepojení na polohu magnetopauzy. Magnetosférické oblasti (kasp, plazmová vrstva, hraniční vrstva, plazmový plášť, magnetosférické laloky, plazmasféra). Mapování magnetosféry do polární oblasti.

10. Dynamické procesy v magnetosféře
Magnetosférické indexy (Dst, KP, AE). Vznik a průběh geomagnetických bouří a subbouří, vysypávání částic do ionosféry a polární záře, změna konfigurace magnetosféry vlivem změn orientace meziplanetárního pole.

Last update: Pavlů Jiří, doc. RNDr., Ph.D. (24.01.2019)