無碰撞激波中的離子動力學與結構演化.pdf

1、無碰撞激波是宇宙空間中常見的物理現(xiàn)象，并且是有效的高能粒子加速器，特別是在宇宙中的大尺度高強度的無碰撞激波可以將帶電粒子加速到相當高的能量，形成銀河宇宙射線、異常宇宙射線等等。在本文中，利用二維混合模擬研究了準垂直激波和準平行激波中波動的激發(fā)、結構的演化和粒子動力學過程。具體結論如下:
　　1.低馬赫數(shù)準垂直激波情形下游粒子環(huán)狀速度分布
　　低馬赫數(shù)準垂直激波情形下，上游質子穿越激波面后會形成環(huán)狀速度分布，環(huán)狀速度分布所帶來

2、的平均速度的擾動，使得磁場也會產(chǎn)生對應的擾動來保證總壓力平衡。我們利用二維混合模擬得到了這樣的結果，并同時加入了4％的氦離子，來研究氦離子的環(huán)狀速度分布對磁場結構的影響。發(fā)現(xiàn)由于粒子數(shù)比較小，氦離子并沒有對質子的環(huán)狀速度分布和磁場結構帶來明顯的影響;并且，由于氦離子的荷質比較小，氦離子在速度相空間中的環(huán)狀速度分布的半徑要比質子的大，同時持續(xù)的時間要比質子的更久。
　　2.準垂直激波下游波動和粒子速度分布的演化
　　利用二維混

3、合模擬，我們研究了準垂直激波下游波動的激發(fā)。低馬赫數(shù)激波情形下，質子和氦離子穿越激波面之后均會在相空間中形成環(huán)狀速度分布;質子的環(huán)狀速度分布很快被磁場的擾動所破壞，不能激發(fā)離子回旋波;而對于氦離子，其破壞過程較慢，直到較遠的下游，氦離子才開始激發(fā)回旋波，這些波動將氦離子自身散射成為球殼狀速度分布，并最終散射成為雙麥克斯韋分布;質子和氦離子的等離子體β較小，所以沒有磁鏡波的激發(fā)。中等馬赫數(shù)激波情形下，質子和氦離子穿越激波面后同樣出現(xiàn)了環(huán)狀

4、速度分布，同時也出現(xiàn)了少量的反射質子;質子和氦離子均在激波面下游激發(fā)了離子回旋波，但是質子是從激波面就開始激發(fā)離子回旋波，而氦離子直到較遠的下游才開始激發(fā)離子回旋波，這些波動將氦離子散射成為了球殼狀速度分布，并最終散射成為了雙麥克斯韋分布;同樣由于較小的等離子體β，并沒有磁鏡波的激發(fā)。高馬赫數(shù)激波情形下，質子和氦離子也同樣出現(xiàn)了環(huán)狀速度分布，但是很快即被破壞掉，同時也出現(xiàn)較大比例的反射粒子;質子和氦離子均從激波面即開始激發(fā)離子回旋波;氦

5、離子也同樣在下游被散射成為了球殼狀速度分布，并最終被散射成為了雙麥克斯韋分布，但是卻不能肯定是來自氦離子激發(fā)的離子回旋波的貢獻，即不能肯定氦離子激發(fā)的離子回旋波在下游是占主導的;粒子在下游加熱較快，等離子體β增長也較快，下游有磁鏡波的激發(fā)。
　　3.二維準平行激波中的粒子動力學和下游高速流的產(chǎn)生
　　準平行激波中運動到上游的反射粒子與上游入射粒子相互作用可以激發(fā)上游低頻波動。這些上游波動會與激波面相互作用，使得激波面變得并不

6、平整，即布滿了漣漪。上游波動，或者說漣漪，使得沿著激波面的重構過程并不協(xié)調統(tǒng)一，同時也使得沿激波面的粒子動力學過程也變得不同。在激波面漣漪的兩側，由于電磁場結構的不同，粒子動力學過程也不同，在漣漪的下半側，會有較多的粒子被反射和加速，而在漣漪上半側，粒子更傾向于直接穿越激波面，并形成下游冷的高速粒子束流。并且，從我們詳細研究了我們模擬中出現(xiàn)的下游高速流，發(fā)現(xiàn)模擬中出現(xiàn)的下游高速流與地球舷激波磁鞘中觀測到的高速流的特征是相似的。
　

7、　4.二維準平行激波中的粒子加速過程
　　利用二維混合模擬，我們發(fā)現(xiàn)，被激波反射的粒子首先會緊貼激波面運動，并同時被加速，這是第一階段的加速;之后，粒子獲得了較大的能量，可以到達靠近激波面的上游，并被束縛在上游波動和激波面之間被加速，這是第二階段的加速。經(jīng)過兩個加速階段，部分粒子運動到激波遠下游，部分運動到遠上游。還有部分粒子可經(jīng)歷第三個階段的加速過程，即粒子在上下游波動之間來回彈跳并被加速，這一加速過程類似激波擴散加速;經(jīng)過三個