动力学阿尔文波及其在太阳和空间等离子体中的应用(英文)

动力学阿尔文波是短波长的色散阿尔文波,其色散主要是由于垂直波长接近离子回旋半径或电子惯性长度等微观粒子动力学特征尺度而引起的。在频率远低于离子回旋频率的低频条件下,其平行波长通常仍然远大于离子惯性长度,这导致动力学阿尔文波在电磁偏振和传播方向上呈现显著各向异性的重要特性,并因此使其在磁等离子体的粒子能化现象和结构丝化现象中起重要作用。动力学阿尔文波早期于1970年代由Chen和Hasegawa研究聚变等离子体加热问题时首先提出。随后,在1980年代受到空间等离子体、特别是电离层-磁层耦合与极光现象研究的广泛关注。进入1990年代后,由于在空间卫星探测技术和地面等离子体实验技术的不断发展,特别是一些高分辨空间等离子体探测仪器和地面大型等离子体实验设备投入工作以来,在动力学阿尔文波的实验研究上取得了一系列突破性的重要进展。这不仅导致对动力学阿尔文波在磁等离子体动力学现象中重要作用的重新估价和正视,并再次激发了对动力学阿尔文波理论及其在实验室、空间和天体环境下各类等离子体活动现象中应用研究的广泛兴趣。自1990年代中期以来,我们在中国科学院紫金山天文台的研究小组一直致力于动力学阿尔文波及其在太阳和空间等离子体粒子能化现象中应用的研究。这篇综述性报告主要介绍了有关动力学阿尔文波非线性孤波理论及其在空间和太阳等离子体粒子能化现象中应用的研究进展,也是我们这十几年来在这一领域研究工作的一个总结。报告的第0章简要介绍动力学阿尔文波的一些主要特征及其在磁等离子体动力学现象中的重要作用。然后,在第1章中利用等离子体的双流体方程、结合有关的实验观测,系统介绍了动力学阿尔文波的色散、传播、偏振等基本特性和在一维孤波与二维涡旋等非线性结构理论方面的研究进展。接下来的第2、3、4章将聚焦在动力学阿尔文波的耗散机制及其在太阳和空间等离子体粒子能化现象中的应用研究上,分别包括:动力学阿尔文孤波的耗散结构及其在极光高能电子加速现象中的应用(第2章);动力学阿尔文孤波中重离子的各向异性能化机制及其在延伸日冕中少量重离子反常加热现象中的应用(第3章);以及动力学阿尔文波的反常耗散机制及其在日冕磁等离子体结构非均匀加热现象中的应用(第4章)。最后的第5章是一个简要的总结和几点进一步发展的展望。     

动力学阿尔文波的实验研究

动力学阿尔文波是垂直波长接近离子回旋半径或电子惯性长度的短波长色散阿尔文波,由于能在磁等离子体的丝化精细结构和带电粒子能化现象中起重要作用,一直是空间和实验室等离子体物理领域里具有广泛兴趣的研究课题.特别是1990年代后,由于空间卫星探测技术和地面等离子体实验技术的不断发展,特别是一些高分辨空间等离子体探测仪器和地面大型等离子体实验设备投入工作以来,在动力学阿尔文波的实验研究上取得了一系列突破性的重要进展.这不仅在实验上进一步证实了动力学阿尔文波一系列重要的理论特性,也导致了对动力学阿尔文波在磁等离子体动力学现象中重要作用的重新认识,并在从地面实验室等离子体到空间和天体等离子体的广泛领域里再次激发了对动力学阿尔文波的研究兴趣.在这篇综述性报告里,我们将着重介绍自上世纪90年代以来有关动力学阿尔文波实验研究的主要进展,包括在地面实验室大型等离子体装置上进行的实验研究、由科学卫星在空间等离子体中进行的实地测量证认、以及对太阳大气中动力学阿尔文波相关信号的遥测分析.这些实验研究覆盖了动力学阿尔文波物理的各个方面,涉及的内容从动力学阿尔文波的基本色散关系、电磁偏振状态、激发与耗散机制,到非线性相互作用和不同等离子体环境下湍动谱的特性等.这将有助于读者更加全面、完整地理解动力学阿尔文波的物理本质及其相关现象.     

电子回旋波驱动的托卡马克芯部等离子体极向旋转

提出了一个驱动托卡马克芯部等离子体极向旋转的新途径：用电子回旋波产生芯部等离子体极向旋转.物理机制如下：在高功率的电子回旋波加热的托卡马克等离子体中，共振局域化现象将产生极向电场从而形成极向外高内低的离子密度分布；这个极向离子的积累可以克服来自磁泵的阻尼而使等离子体极向旋转退稳定.从流体力学方程和漂移动力学方程中，得到了等离子体旋转退稳的判别式.结果表明现有的电子回旋波加热功率水平可以驱动芯部等离子体的极向旋转. 关键词：     

太阳大气中不可忽视的爆发活动——喷流

人类第一次注意到太阳大气中发生的喷流现象,是在20世纪20年代的Mt.Wilson观测台站发现的Hα冲浪。尽管已经过去了接近一个世纪,由于喷流本身并没有表现出像太阳耀斑那样的耀眼增亮,也没有像日冕物质抛射那样能够直接影响到近地空间环境,太阳大气喷流一直没能引起人们足够的重视。然而,近些年的一些研究进展表明,喷流不仅在分析太阳磁场拓扑结构和演化、与磁流体力学波(如类阿尔芬波)的相互作用、加热局地日冕以及加速太阳风等方面可能起着十分重要的作用,也与耀斑、日冕物质抛射等太阳上的极端爆发活动有着密切的关系。文章首先简要回顾太阳大气喷流的理论和观测成果,然后介绍作者在喷流触发高速日冕物质抛射方面最新的研究成果。最后简述喷流研究中亟待解决的一些问题和未来的研究方向。     

“太阳-B”观测卫星发现太阳风喷口

日本、美国和欧洲的研究人员在最新一期美国《科学》杂志上报告说，他们借助太阳观测卫星“太阳-B”发现了太阳上的太阳风喷口和可能与“日冕加热”现象有关的阿尔芬波．     

光纤中自变陡效应支持的小振幅孤波

基于连续波背景上的小振幅近似，研究了自变陡效应对正常色散区和非常色散区孤波传输动力学的决定作用。在计及损耗和增益，以及Ｒａｍａｎ自泵的光纤中，两种色散区中均存在明孤波和暗孤波，尤其是发现了与通常明、暗类型相反的小振幅明、暗孤波。 关键词：     

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研究了强耦合尘埃等离子体的尘埃声波的线性色散关系和尘埃声孤波的非线性传播。考虑一个包含电子、离子、正电扰动尘埃颗粒的完全电离的三成分模型等离子体。假定其电子、离子数密度服从玻尔兹曼分布,而大质量的尘埃成分用一组经典流体方程描述,对系统方程进行线性化,得到了尘埃声波的线性色散关系,发现离子的集中参数对色散关系的影响很大。用约化摄动法对系统方程进行展开,得到了描述小振幅孤波的伯格斯方程。基于伯格斯方程研究了尘埃声孤波的基本特性,发现尘埃颗粒的强耦合效应对尘埃声孤波有很大的修正作用。该研究结果有助于理解尘埃空间等离子体中局域波的一些特性。     

强耦合尘埃等离子体中正电扰动下的尘埃声激波

研究了强耦合尘埃等离子体的尘埃声波的线性色散关系和尘埃声孤波的非线性传播。考虑一个包含电子、离子、正电扰动尘埃颗粒的完全电离的三成分模型等离子体。假定其电子、离子数密度服从玻尔兹曼分布,而大质量的尘埃成分用一组经典流体方程描述,对系统方程进行线性化,得到了尘埃声波的线性色散关系,发现离子的集中参数对色散关系的影响很大。用约化摄动法对系统方程进行展开,得到了描述小振幅孤波的伯格斯方程。基于伯格斯方程研究了尘埃声孤波的基本特性,发现尘埃颗粒的强耦合效应对尘埃声孤波有很大的修正作用。该研究结果有助于理解尘埃空间等离子体中局域波的一些特性。     

负折射介质中孤波间相互作用

以描述负折射介质中超短脉冲传输的归一化非线性薛定谔方程为模型,采用对称分步傅里叶算法研究了负折射介质中亮、暗孤波间的相互作用.数值模拟发现:当孤波的初始频移为零时,亮孤波间的相互作用与常规介质中类似;当孤波的初始频移不为零时,其传输速度和相互作用明显受三阶色散和自陡峭效应的影响,主要表现为相互排斥.而负折射介质中暗孤波间的相互作用与常规介质中的相互作用类似,无论暗孤波是否存在初始频移,暗孤波间的相互作用在三阶色散和自陡峭的影响下都表现为相互排斥.结果表明,通过调节三阶色散和自陡峭系数可以在一定程度上抑制负折射介质中亮、暗孤波间的相互作用.该研究结果为负折射介质在未来高速通信中的应用提供了理论依据.     

负折射介质中孤波间相互作用

以描述负折射介质中超短脉冲传输的归一化非线性薛定谔方程为模型,采用对称分步傅里叶算法研究了负折射介质中亮、暗孤波间的相互作用.数值模拟发现:当孤波的初始频移为零时,亮孤波间的相互作用与常规介质中类似;当孤波的初始频移不为零时,其传输速度和相互作用明显受三阶色散和自陡峭效应的影响,主要表现为相互排斥.而负折射介质中暗孤波间的相互作用与常规介质中的相互作用类似,无论暗孤波是否存在初始频移,暗孤波间的相互作用在三阶色散和自陡峭的影响下都表现为相互排斥.结果表明,通过调节三阶色散和自陡峭系数可以在一定程度上抑制负折射介质中亮、暗孤波间的相互作用.该研究结果为负折射介质在未来高速通信中的应用提供了理论依据.     

低频Alfvén波多波相干加热粒子模拟

采用粒子模拟方法,考察多支沿背景磁场方向传播的低频Alfvén波对磁化等离子体的加热过程,研究不同频率的多支低频Alfvén波相干加热.结果表明可以通过调整波的频率比实现对非共振加热过程和随机加热过程这两个阶段的强化.符合相干共振条件的多波加热会强化低频Alfvén波对粒子拾取,进而强化非共振加热,明显提高加热效率.在多波加热的过程中,如果多支波之间的频率差足够小,则多波在调制过程中会形成波包.波包的出现标志着粒子各向异性的强化,从而提升随机加热效率.     

弱相对论等离子体横向扰动下的离子声孤波

在低阶近似下，得到了描述无磁场相对论热离子等离子体的KP(Kadomtsev-Petviashvilli) 方程.研究表明，相对论热离子等离子中的非线性离子声孤波在高阶横向拢动下是稳定的， 且在相对论热离子等离子体中仅存在压缩型孤波. 关键词： 离子等离子体 孤波 声波 约化摄动法     

四流体模型与m=1内扭曲模稳定性分析

利用描述俘获粒子运动的四流体模型推导出包含俘获粒子效应,离子反磁漂移,有限电阻及反常电子粘滞效应的ｍ＝１的内扭曲模本征方程和色散关系,并在等离子体芯部存在与不存在的高能粒子的两种情况下,讨论了俘获粒子效应和各种耗散效应对内扭曲模的影响。     

玻璃纤维中的孤粒子

孤粒子(Soliton)是像一个单独的鼓包那样的定域化的波,它在非线性的和有色散的介质中传播.“非线性”一词系指描述这种波的运动规律的方程中含有波幅的平方项或更高次项.在很早之前,Korteweg和DeVries就推出了一个水的表面波所服从的方程(即所谓KdV方程),并且证明了这一方程允许有一个稳定的孤立波存在,这是非线性和色散二者达到一种平衡的结果.这种特殊的波,即孤粒子并不扩散,即并不逐渐变宽,这一性质使得孤粒子对于通讯具有潜在的重要性. 孤粒子这一名称是 Zabusky和 Kruskal在1965年提出来的,那时他们用数值计算方法发现了 KdV方程所…     

太阳日冕物质抛射的磁流体力学性质

太阳是离地球最近的一颗恒星，太阳日冕物质抛射是太阳大气中最剧烈的一种活动现象．当日冕物质抛射爆发时，大量的等离子体物质从接近太阳日面的低日冕被抛出，瞬时释放出巨大的能量．当一部分这些物质和能量传播到地球附近时，可以造成短波通讯中断、卫星工作失常等破坏性现象．文章作者认为，是缠绕的太阳磁场提供了足够的能量，使这些日冕物质可以克服恒星的重力以及周边磁场的束缚抛射出来；而磁螺度在日冕中的不断积累，不仅为日冕物质抛射提供了能量基础，而且使爆发在一定程度上成为一种日冕演化的必然。     

低频Alfvén波对等离子体非共振加热与随机加热的粒子模拟

采用粒子模拟方法,研究沿背景磁场方向传播的低频Alfvén波对磁化等离子体加热的物理过程.模拟结果表明:离子在垂直和平行于背景磁场的方向都得到明显的加热,在非共振加热阶段,垂直方向比平行方向的加热效果更加显著,形成温度各向异性;在随机加热阶段,垂直和平行方向的温度最终达到饱和且趋于一致.加热过程中,离子所获得动力学温度的最大值由外加磁场能量密度与等离子体密度的比值决定,与Alfvén波的频率及振幅无关;离子在平行于背景磁场方向上被加速,并最终获得相当于Alfvén波相速度大小的流速.     

空间飞行器近尾区内场和密度空腔的研究

在静态极限下,通过傅里叶变换,研究了空间飞行器近尾区内等离子体与场之间的非稳态非线性相互作用,并进行了数值求解。数值模拟结果表明,在飞行器近尾区内会产生电磁孤波和密度空腔,由电场的塌缩现象可以探测到它们。因而通过探测电磁孤波和密度空腔的形状和强度,能够探寻具有隐身特性的飞行器。     

日冕喷流触发冕环横向振荡

正日冕位于太阳大气最外层,由温度高达数百万度的磁化等离子体组成。波动和振荡是日冕中普遍存在的现象,美国TRACE卫星首次在极紫外波段探测到冕环的周期性往复运动,被认为是冕环横向扭曲振荡。冕环振荡通常由附近的低日冕爆发活动(如耀斑、喷流、暗条爆发)触发。日冕等离子体参数(如磁场强度和阿尔芬速度)难以直接测量,结合太阳望远镜观测到的振荡和磁流体力学波动理论为诊断这些参数提供了一种有效手段。     

托卡马克中快波电流驱动下全波方程的数值求解

用全波方法研究环形对称托卡马克等离子体中离子回旋频率范围内(ICRF)的快波电流驱动(FWCD)问题,考虑有限拉莫尔半径(FLR)效应和平行色散,建立全波计算的物理模型—全波方程,通过对全波方程的数值求解得到快波在等离子体中激发的电场强度分布.结果表明:快波可以传播到高温高密度等离子体的中心;快波在磁轴附近发生了模式转换;快波可以驱动中心的等离子体电流以改善等离子体的平衡位型;平行电场比垂直电场小三个数量级,通过垂直方向的回旋共振和平行方向的穿越期磁泵效应达到驱动电流的目的.     

在光纤零群速色散区传输的光孤子波

通过对超短光脉冲在单模光纤中传输方程的分析研究,给出了在零群速色散传输方程的亮,反波解。结果表明,超短光脉中在光纤的零群群速色散仍能以亮,暗孤波的形式传输,且不存在孤子自频移现象。