阿爾文波譜參量不穩(wěn)定性及離子加熱的數(shù)值模擬研究.pdf

1、作為一顆行星，地球，人類唯一的家園，已經(jīng)圍繞著太陽在其軌道上持續(xù)運(yùn)行了約46億年。太陽居于太陽系的中心，是一個(gè)巨大的炙熱的等離子體球，并且在其核心發(fā)生著劇烈的核聚變反應(yīng)同時(shí)釋放出大量的能量進(jìn)入行星際空間。日冕是太陽大氣的最外面一層，其溫度可以被加熱到百萬度量級(jí)。由于日冕如此的高溫，日冕和行星際空間之間的巨大壓力差能夠驅(qū)使日冕吹出大量的伴隨著磁場(chǎng)的電離的太陽等離子體，這被稱之為太陽風(fēng)?？臻g觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，一支大尺度的低頻磁場(chǎng)擾動(dòng)波模普遍存在于

2、太陽風(fēng)中。而且，上述這支低頻磁場(chǎng)擾動(dòng)波模稱之為阿爾文波，它被看作為解釋日冕加熱和太陽風(fēng)加速的可能候選者。這篇博士論文主要是關(guān)于，阿爾文非相干波譜的參量不穩(wěn)定性以及在參量不穩(wěn)定性演化過程中離子的加熱。
　　(1)雖然阿爾文波是理想不可壓縮磁流體力學(xué)(MHD)方程組的精確解，但是它依然可以發(fā)生3種參量不穩(wěn)定性，分別稱作:衰變不穩(wěn)定性，拍不穩(wěn)定性，調(diào)制不穩(wěn)定性。參量不穩(wěn)定性涉及到非線性波-波相互作用，能夠?qū)崿F(xiàn)在不同波模之間傳輸能量，這給

3、阿爾文波提供了一種耗散途徑。在本篇博士論文的第一個(gè)工作中，使用一維(1-D)混合模擬模型在低beta的電子-質(zhì)子等離子體系統(tǒng)中，我們研究了阿爾文非相干波譜的參量不穩(wěn)定性并發(fā)現(xiàn)參量不穩(wěn)定性的演化呈現(xiàn)兩個(gè)階段。在第1個(gè)階段中，阿爾文泵波譜發(fā)生包絡(luò)調(diào)制并產(chǎn)生出一系列低頻密度模，隨后這些新產(chǎn)生的密度模與阿爾文泵波譜發(fā)生耦合進(jìn)一步產(chǎn)生新的高頻磁場(chǎng)模。因此，更多的具有寬帶譜結(jié)構(gòu)的密度模和磁場(chǎng)模被激發(fā)出來。在第2個(gè)階段中，來自于初始阿爾文泵波譜中的每

4、一支單色阿爾文波分別地發(fā)生參量衰變。在阿爾文泵波譜參量不穩(wěn)定性的飽和階段，質(zhì)子束流沿著背景磁場(chǎng)B0方向產(chǎn)生。
　　(2)太陽日冕和太陽風(fēng)中的重離子選擇加熱是一個(gè)長期以來的熱點(diǎn)話題。在本篇博士論文的第二個(gè)工作中，同樣使用1-D混合模擬模型在低beta的電子-質(zhì)子-氦離子等離子體系統(tǒng)中，我們研究了平行傳播的阿爾文非相干波譜的參量不穩(wěn)定性過程中氦離子的加熱。與前面介紹的第一個(gè)工作的結(jié)果相似，這里的參量不穩(wěn)定性的演化（含有氦離子）也經(jīng)歷了

5、兩個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)于氦離子加熱的兩個(gè)階段。在兩個(gè)演化階段中，氦離子在垂直于B0方向上均被有效加熱，這來自于氦離子與高頻磁場(chǎng)模的回旋共振。同時(shí)，氦離子與密度模之間的朗道共振引起氦離子平行方向上的加熱。在整個(gè)參量不穩(wěn)定性演化過程中，質(zhì)子只有平行方向被加熱，垂直方向沒有加熱。
　　(3)為了進(jìn)一步研究初始斜傳阿爾文非相干波譜的參量不穩(wěn)定性過程中氦離子的加熱，在本篇博士論文的第三個(gè)工作中，我們將上面第二個(gè)工作推廣到2-D混合模擬模型中，研

6、究了離子加熱和波譜（密度波譜和磁場(chǎng)波譜由參量不穩(wěn)定性激發(fā)）演化之間的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)波-波耦合以及波-粒相互作用在離子加熱中起到了關(guān)鍵作用。小斜傳角度的初始阿爾文泵波譜（例如:θk0B0=15°，表示初始阿爾文泵波的波矢k0和背景磁場(chǎng)B0之間的傾斜角），比單色阿爾文泵波以及大斜傳角度的阿爾文泵波譜，可以更有效地在垂直方向上加熱氦離子。同時(shí)，在平行方向上質(zhì)子和氦離子也都可以被小斜傳角度的阿爾文泵波譜更有效地加熱。此外，離子（質(zhì)子、氦離子）束流

7、在平行于B0方向上產(chǎn)生，不依賴于阿爾文泵波的初始斜傳角度。離子束流的產(chǎn)生主要來自于離子和參量不穩(wěn)定性激發(fā)的離子聲波(ionacoustic wave，IAW)之間的朗道共振（在參量不穩(wěn)定性演化后期階段）。然而，氦離子垂直方向加熱主要來自于氦離子和高頻阿爾文波(Alfvén wave，AW)之間的回旋共振，這些高頻AW模來自于參量不穩(wěn)定性演化早期和后期兩個(gè)階段中的非線性波．波相互作用。第三個(gè)工作的研究還沒有完全完成，目前的結(jié)果還需要進(jìn)一步