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Solitons collision and freak waves in a plasma with Cairns-Tsallis particle distributions

S A El-Tantawy, A M Wazwaz, R Schlickeiser2015年Plasma Physics and Controlled FusionIF 2.2出版社

The solitons collision (head-on collision) and rogue waves in an unmagnetized plasma comprising nonthermal-nonextensive distributed (Cairns-Tsallis) electrons and cold ions are investigated. For solitons collision, the extended Poincaré–Lighthill–Kuo (PLK) method is employed to derive the coupled Korteweg-de Vries (KdV) equations and their corresponding phase shifts. It is found that solitons having two polarities can propagate in the present model. The coefficients of the nonlinear terms of the coupled KdV equations vanish at a critical value of nonthermality. Therefore, another set of coupled modified KdV (mKdV) equations with cubic nonlinearity is derived and the corresponding phase shifts are calculated. It is found analytically and numerically that the solutions of the coupled KdV equations allow solitons collision only when the solitons have the same polarity, whereas the coupled mKdV equations allow the collisions between the two solitons of the same and opposite polarities. The influence of the nonthermal-nonextensive parameters on the phase shifts of the solitons collision is examined. Furthermore, the rogue waves are studied in the framework of the mKdV equation. The behavior of the rogue waves is analyzed using the nonlinear Schrödinger equation (NLSE), derived from the mKdV equation. It is found that the rogue wave amplitude shrinks with the increase of the nonextensive parameter. The NLSE derived from the KdV equation cannot support the presence of rogue waves.

日本語訳

非熱的・非伸張的(Cairns-Tsallis)分布した電子と冷イオンからなる非磁化プラズマ中のソリトン衝突(正面衝突)とログ波について調査した。ソリトン衝突については、拡張ポアンカレ・ライトヒル・クオ(PLK)法を用いて、結合クルトヴェーク・ド・フリース(KdV)方程式とそれに対応する位相シフトを導出した。本モデルでは、2種類の極性を持つソリトンが伝播可能であることが見出された。結合KdV方程式の非線形項の係数は、非伸張性の臨界値において消滅する。したがって、三次非線形性を持つ別の結合修正KdV(mKdV)方程式を導出し、対応する位相シフトを計算した。解析的および数値的に、結合KdV方程式の解は、ソリトンが同極性の場合にのみ衝突を許容するのに対し、結合mKdV方程式の解は、同極性および異極性の両方のソリトン衝突を許容することが見出された。非熱的・非伸張的パラメータがソリトン衝突の位相シフトに及ぼす影響を調べた。さらに、mKdV方程式の枠組みでログ波を研究した。mKdV方程式から導出された非線形シュレーディンガー方程式(NLSE)を用いてログ波の挙動を解析した。ログ波の振幅は、非伸張性パラメータの増加とともに減少することが見出された。KdV方程式から導出されたNLSEは、ログ波の存在を支持しないことが判明した。

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