太陽和空間等離子體中兩個與波動相關(guān)的問題.pdf

1、本文重點(diǎn)研究了太陽與空間物理中兩個與等離子體波動相關(guān)的具體問題：基于Cluster衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的地磁尾磁場重聯(lián)過程中低雜波提供的反常電阻的研究和日冕中電流片內(nèi)冕環(huán)協(xié)同加熱機(jī)制的研究。 磁場重聯(lián)是空間、天體以及實(shí)驗(yàn)室等離子體中的一種快速的釋放能量的方式，例如太陽耀斑，日冕物質(zhì)拋射，磁暴和磁層亞暴，以及托克馬克約束裝置中的鋸齒模不穩(wěn)定性等。關(guān)于磁場重聯(lián)的研究一直以來就被大家所重視，而其中理想磁流體力學(xué)的磁凍結(jié)效應(yīng)的破壞是磁重聯(lián)理論最

2、關(guān)注的中心問題。重聯(lián)點(diǎn)的磁凍結(jié)效應(yīng)的破壞為磁場重聯(lián)提供了驅(qū)動機(jī)制。在這個問題上，反常電阻一直以來備受關(guān)注，被認(rèn)為可以為快速磁重聯(lián)提供有效的耗散機(jī)制。尤其是低雜漂移波不穩(wěn)定性更被許多學(xué)者認(rèn)為是提供反常電阻的首選。一直以來，不論是理論還是數(shù)值模擬都表明出現(xiàn)大的密度梯度和磁場梯度的地方，抗磁電流往往會激發(fā)低雜漂移波不穩(wěn)定性，但是這些梯度一般分布在等離子體電流片的邊緣，而真正需要反常電阻來激發(fā)磁重聯(lián)的地方是在磁重聯(lián)發(fā)生的電流片中心。也有一些研究

3、者研究過重聯(lián)過程中的低雜波以及與其相關(guān)的反常電阻，然而，由于他們的觀測位置距重聯(lián)點(diǎn)較遠(yuǎn)，得到的結(jié)果是“負(fù)的”，即低雜波提供的反常電阻遠(yuǎn)不能滿足快磁重聯(lián)所需。 本文中，我們報(bào)道一則由Cluster衛(wèi)星穿越電流片中心的磁尾重聯(lián)事例。根據(jù)電場在低混雜頻率附近能量譜求得相應(yīng)的反常電阻，并將之與由衛(wèi)星數(shù)據(jù)直接求得的重聯(lián)發(fā)生所需的有效電阻進(jìn)行比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在電流片中心，X-點(diǎn)附近，低雜波頻率湍流產(chǎn)生的反常電阻可以觸發(fā)快速磁重聯(lián)；而在磁場重聯(lián)

4、的出流區(qū)內(nèi)電流片的中心(Bx=0)，得到了與以往工作[Baleetal(2002)；Carteretal(2002)]相同的“負(fù)的”結(jié)果，即低混雜漂移波產(chǎn)生反常電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于重聯(lián)發(fā)生實(shí)際所需電阻。 第二部分工作主要介紹日冕電流片中冕環(huán)的協(xié)同加熱機(jī)制。日冕加熱作為太陽物理的挑戰(zhàn)性的問題之一，長達(dá)幾十年來一直困擾著科學(xué)家。對于太陽表面(光球?qū)?、色球?qū)?溫度只有6000度左右的太陽，其外層大氣——日冕的溫度竟高達(dá)百萬度，并因此導(dǎo)致巨大的

5、能量以輻射、擴(kuò)散、傳導(dǎo)等形式從日冕流向太空中(在日冕活動區(qū)其能流密度高達(dá)～104Wm-2，即使寧靜區(qū)強(qiáng)度也有3×102Wm-2)。一定存在一種加熱機(jī)制使得日冕維持如此高的溫度，平衡因?yàn)楦鞣N耗散機(jī)制引起的能量損失?；诖?，科學(xué)家們提出了各種各樣的加熱機(jī)制?；谧泓c(diǎn)的運(yùn)動時(shí)間尺度和剪切Alfvén波的特征傳播頻率的比較，這些加熱機(jī)制大致可分為：由J．E≈ηJ2引起的“直流”(DC)歐姆加熱(或稱焦耳加熱)以及等離子體波——粒子相互作用引起的

6、“交流”(AC)波加熱兩大類。對于在日冕等離子體子中究竟是電流片歐姆加熱還是波加熱，這一直是許多科學(xué)家致力研究的問題。 但實(shí)際上我們認(rèn)為在日冕電流片中兩種加熱機(jī)制相互關(guān)聯(lián)、相互補(bǔ)充、相互影響的。因此，日冕加熱過程問題很可能是一種與磁場拓?fù)湮恍途o密相關(guān)的協(xié)同加熱(SyntheticHeating)過程。本文中，我們提出了一個奇異層電流片中歐姆加熱和波加熱相結(jié)合的協(xié)同加熱機(jī)制。我們知道，磁場重聯(lián)過程中會形成小尺度的奇異的電流片結(jié)構(gòu)(

7、這是日冕電流片加熱理論提出的一種主要機(jī)制)，冕環(huán)足點(diǎn)的對流運(yùn)動也可以在磁分形面產(chǎn)生小尺度的電流片結(jié)構(gòu)，同時(shí)這個小尺度的奇異電流片也可以由剪切流導(dǎo)致的Alfvén共振引發(fā)。與此同時(shí)，在奇異的電流片結(jié)構(gòu)這樣非常小的空間尺度上，必須考慮到雙流體效應(yīng)，從而可以激發(fā)動力學(xué)Alfvén波(Kinetic Alfvén Wave，KAW)。而動力學(xué)Alfvén波也是日冕波加熱理論提出的一種主要機(jī)制。我們大致估算了存在奇異層電流片時(shí)兩種加熱機(jī)制的加熱功

8、率，可以看出，在小尺度的電流結(jié)構(gòu)中，不僅存在歐姆加熱，而且也存在波的加熱，二者共同對加熱日冕等離子體做出貢獻(xiàn)。這樣一個加熱機(jī)制也許可以改善我們對日冕加熱問題的理解。 基于以上，本論文的安排如下，第一章，綜述了本文課題的研究背景。介紹了基礎(chǔ)物理知識，日冕物理，地磁層內(nèi)磁場重聯(lián)，以及涉及到的等離子體波動的基本內(nèi)容；第二章，介紹了地磁尾重聯(lián)觀測問題中所用到的衛(wèi)星，數(shù)據(jù)，及數(shù)據(jù)處理方法；第三章，重點(diǎn)在低雜波頻段的湍流提供的反常電阻激發(fā)重