天體物理學(xué)中的無碰撞等離子體

Gerard+Belmont等

等離子體是物質(zhì)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)電量相等的粒子組成的物質(zhì)，它廣泛存在于宇宙中，被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。由于它是帶電粒子的集合體，它的行為與電磁場密不可分。當(dāng)?shù)入x子體中包含中性粒子，并且中性粒子與帶電粒子的碰撞趨于無窮次時，等離子體會更傾向于中性氣體。本書主要講述了完全電離等離子體及其特定性質(zhì)。

本書共有9章：1.引言，包括本書的目標(biāo)、天體物理學(xué)中的等離子體、電磁場與電磁波、橫向與縱向電磁場、真空中的電磁場、等離子體中的電磁波、平面等離子體波的電磁分量、帶電粒子的運(yùn)動；2.等離子體描述與等離子體模型，包括分布函數(shù)與矩、從單個粒子到動理學(xué)的描述、數(shù)值方法、流體編碼、混合編碼；3.磁化等離子體，包括理想電磁流體力學(xué)（MHD）、建立MHD模型、量綱分析與等離子體特征尺度；4.碰撞單個粒子到支理學(xué)的描述無碰撞，包括等離子體物理中碰撞的概念，有平均自由程、德拜長度、克努森數(shù)等；損耗的概念，有能量轉(zhuǎn)移與損耗、可反轉(zhuǎn)性、熵等；5.等離子體中的波，包括MHD波、波引起的輸送、高頻率波、哨聲模式、流體理論中的碰撞阻尼、無碰撞阻尼、不穩(wěn)定性；6.非線性效應(yīng)、激波與湍流，包括無碰撞激波與間斷、湍流、非線性動力學(xué)物理； 7.流動與粒子加速過程，包括流加速、文丘里效應(yīng)、恒星風(fēng)、磁重聯(lián)、磁層中的動力加速；8.宇宙射線的加速與遷移，包括磁場：遷移阻礙、宇宙射線的遷移方程、宇宙射線的費(fèi)米加速等；9.動理學(xué)流體二重性（The Kinetic Fluid Duality），包括太陽風(fēng)與行星風(fēng)膨脹、小幅彈道波動、大幅彈道波動等。

附錄：1.符號，包括1.1向量與張量；1.2導(dǎo)數(shù)；1.3符號列表。2.漸近展開與絕熱不變量，包括2.1多尺度展開；2.2絕熱不變量；2.3引導(dǎo)中心方程的推導(dǎo)擴(kuò)展。3.?？?普朗克方程，首階項(xiàng)。

本書由五位作者共同撰寫，其中第1作者Gerard Belmont是無碰撞介質(zhì)及其在流體理論與動力學(xué)理論上的描述方面的專家；第2作者Roland Grappin主要致力于流體與等離子體中的湍流、太陽風(fēng)的動力學(xué)以及日冕與過渡區(qū)等天文學(xué)方面的研究；第3作者Fabrice Mottez專注于無碰撞太空等離子體、地球與木星磁氣層、基礎(chǔ)等離子體物理與數(shù)值模擬。

本書簡單易懂，意在成為等離子物理方面的教科書。雖然書中例子大多是空間物理或太陽風(fēng)領(lǐng)域，但概念是通用的，實(shí)驗(yàn)室等離子體，特別是核聚變磁約束方面的研究者，也適合閱讀本書。

王小珊，博士生

（中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所）endprint