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《中国科学技术大学》 2019年
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太阳风中离子束流与电磁离子回旋波的相互作用

向梁  
【摘要】:电磁离子回旋波是指频率低于或者接近离子回旋频率的电磁波,其偏振特性分为左旋和右旋两种不同的偏振状态。由于波的频率接近离子回旋频率,电磁离子回旋波能和离子有效地发生回旋共振。因此,电磁离子回旋波在太阳和空间等离子体的波能耗散、粒子加热和加速等能化现象中具有重要的作用,并广泛地应用于极光加速区反常电阻的产生、冕环中高能电子的加速、冕洞中重离子的优先加热、日冕大气等离子体加热、太阳风粒子加速和加热等能化现象。许多的空间观测研究表明,电磁离子回旋波在太阳风中大量存在,弥漫于整个行星际空间,是最基本也是最重要的低频波动模式之一。一直以来,电磁离子回旋波的产生和激发机制引起了人们的广泛关注和兴趣,并由此提出了许多的激发机制解释存在于太阳和空间等离子体中的电磁离子回旋波,如质子温度各向异性、粒子束流、粒子损失锥分布和拾起离子(pick up ions)等不稳定性。基于这一思想,本学位论文深入、系统地研究在太阳风等离子体环境下离子束流对电磁离子回旋波激发机制的影响及其波粒相互作用,为进一步了解与解释太阳风中微观等离子体物理过程,扰动的物理本质以及详细的粒子能化现象等物理问题提供良好的理论依据。本文的第一章简要介绍了电磁离子回旋波的双流体和动力论的理论模型、基本物理特性、太阳风中电磁离子回旋波的观测特征、离子束流的观测特征、电磁离子回旋波的激发机制及其波粒相互作用。论文的第二章详细介绍了在质子和电子束流激发离子回旋波情形下,比较和讨论了反应(reactive)和动力学(kinetic)不稳定性及这两种不稳定性对太阳风中回旋波激发机制的影响。对于质子束流激发离子回旋波的情形,结果显示:(1)动力学不稳定性存在低的速度阈值,而当质子束流的漂移速度大于反应不稳定性的速度阈值时(VbiVcbi),反应不稳定性将变得更加重要;(2)两种不稳定性对应的波数区间不一样,反应不稳定性主要发生在0Kzkzc的波数区间,而动力学不稳定性则在KzKzc的波数区间有显著的生长;(3)动力学不稳定性的最大生长率发生在束流的速度区间1Vbi/VA2.5,这意味着在太阳风中即使质子束流的漂移速度很低,动力学不稳定性依然能有效激发离子回旋波。另一方面,对于电子束流激发离子回旋波的情形,结果显示:(1)动力学不稳定性的生长率小于或者等于零,这意味着电子束流不能激发动力学不稳定性;(2)反应不稳定性能有效激发离子回旋波,且其电子束流漂移速度的阈值为Vbec70νA。因此,太阳风中的电子束流能有效激发离子回旋波。在接下来的第三章中,基于等离子体动力论模型,研究在质子束流激发电磁离子回旋波的情形下,考虑α粒子对回旋波的影响。结果表明:(1)电磁离子回旋波的色散关系、生长率和不稳定性阈值都敏感依赖于α粒子的漂移速度和密度;(2)随着α粒子的漂移速度增加,离子回旋波和磁声波的生长率都是先减少后增加,但是α粒子漂移速度的变化对离子回旋波影响更大;(3)对比两种波的阈值,发现磁声波存在低的速度阈值,且α粒子漂移速度的变化能显著影响离子回旋和磁声不稳定性的速度阈值。同时,我们运用WHAMP动力论程序去验证解析解的结果,发现解析解和WHAMP动力论程序计算的结果吻合得非常好。进一步应用离子回旋和磁声不稳定性解释太阳风束流减速的现象,基于不稳定性阈值的分析显示太阳风中质子束流的漂移速度通常小于或者接近理论预测的回旋波的速度阈值,这暗示了离子回旋和磁声不稳定性可以有效地束缚质子束流的漂移速度,从而将动能转化为波能。在第四章中,我们进一步研究斜传播的离子回旋波和平行传播的磁声波对质子束流演化的影响,并考虑线性和非线性波粒相互作用对束流减速的影响,从而建立太阳风质子束流演化的物理模型。结果显示:(1)斜传播的离子回旋波和平行传播的磁声波的不稳定性速度阈值敏感依赖于电子热压比磁压βe凡和质子束流的密度nbi/n0,当βeβce,斜传播的离子回旋波能有效地激发,而当βeβec,平行传播的磁声波将变得更加重要;(2)当太阳风远离太阳向外传播时,由于当地阿尔芬速度VA减小,而质子束流的漂移速度Vbi维持不变。因此,归一化的束流速度Vbi/VA增加。当Vbi/VA大于或者接近离子回旋波的速度阈值时,质子束流能有效激发斜传播的离子回旋波,从而导致质子束流减速;当太阳风传播到0.55 AU附近时,平行传播的磁声波将有效地激发,从而导致束流的速度低于波的速度阈值。另一方面,为了进一步考虑非线性波粒相互作用对质子束流减速的影响,我们采用混合模拟研究离子回旋波和磁声波的演化及其波粒相互作用过程。模拟的结果表明:(1)当束流速度高于斜传播的离子回旋波和平行传播的磁声波的不稳定性阈值时,这两种波都能有效地激发,从而导致质子束流减速;对于线性阶段的波动特性,模拟结果跟理论结果符合得非常好;(2)非线性波粒相互作用导致束流速度进一步降低,使得束流的速度变为Vbi/V~1.2。因此,非线性波粒相互作用能解释太阳风中部分质子束流的漂移速度接近或稍大于当地阿尔芬速度的观测结果,对理解太阳风中质子束流的减速问题和演化的物理过程起重要作用。第五章简要总结了本学位论文的主要研究成果,并初步思考和展望了相关领域未来研究的发展方向及研究前景。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:P353.8

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