太陽風(fēng)中離子束流與電磁離子回旋波的相互作用

向梁

(中國科學(xué)院紫金山天文臺南京 210023)

電磁離子回旋波是指頻率低于或者接近離子回旋頻率的電磁波,其存在左旋和右旋兩種偏振狀態(tài).通過回旋共振相互作用,電磁離子回旋波能直接與粒子發(fā)生能量交換,對太陽風(fēng)等離子體加熱和加速等能化現(xiàn)象起著重要作用.然而,太陽風(fēng)中電磁離子回旋波的激發(fā)機制及其波粒相互作用尚未完全清楚.本學(xué)位論文深入、系統(tǒng)地研究了太陽風(fēng)等離子體環(huán)境下離子束流對電磁離子回旋波激發(fā)機制的影響及其波粒相互作用,為進一步理解與解釋太陽風(fēng)中微觀等離子體物理過程、擾動的物理本質(zhì)以及粒子能化現(xiàn)象等物理問題提供良好的理論依據(jù).

首先,介紹電磁離子回旋波的雙流體和動力論的理論模型、波動特性、太陽風(fēng)中電磁離子回旋波的觀測特征、離子束流的觀測特征、電磁離子回旋波的激發(fā)機制及其波粒相互作用.

其次,研究在質(zhì)子和電子束流激發(fā)離子回旋波情形下,比較了反應(yīng)和動力學(xué)不穩(wěn)定性的相對重要性,并討論這兩種不穩(wěn)定性對太陽風(fēng)回旋波激發(fā)機制的影響.對于質(zhì)子束流激發(fā)離子回旋波的情形,結(jié)果顯示:動力學(xué)不穩(wěn)定性存在較低的速度閾值vbi～vA(其中vbi和vA分別表示質(zhì)子束流的漂移速度和當?shù)匕柗宜俣?,當vbi>2vA時,反應(yīng)不穩(wěn)定性將變得更加重要.當質(zhì)子束流速度滿足170vA),反應(yīng)不穩(wěn)定性能有效激發(fā)離子回旋波.

再次,鑒于太陽風(fēng)中α粒子的普遍性和重要性,我們研究α粒子對電磁離子回旋波激發(fā)機制的影響.結(jié)果表明:電磁離子回旋波的實頻、生長率和不穩(wěn)定性閾值敏感依賴于α粒子的漂移速度和密度.隨著α粒子的漂移速度增加,離子回旋波和磁聲波的生長率先減少后增加,且對離子回旋波影響更顯著.對比太陽風(fēng)觀測,質(zhì)子束流的漂移速度通常小于或者接近理論預(yù)測的回旋波速度閾值,這暗示著太陽風(fēng)中離子回旋和磁聲不穩(wěn)定性可以有效束縛質(zhì)子束流的漂移速度.

最后,為了進一步研究太陽風(fēng)中質(zhì)子束流的減速機制與演化過程,我們研究斜離子回旋波和平行磁聲波對質(zhì)子束流演化的影響,并考慮非線性波粒相互作用對束流減速的影響,從而建立太陽風(fēng)質(zhì)子束流演化的物理模型.結(jié)果表明:斜離子回旋波和平行磁聲波存在不同的不穩(wěn)定性激發(fā)區(qū)間.當電子等離子體熱壓磁壓比滿足βe0.5時,斜離子回旋波能有效地激發(fā),而當βe時,平行磁聲波變得更加重要,其中為臨界電子等離子體熱壓磁壓比.當太陽風(fēng)從太陽往外傳播時,質(zhì)子束流能有效激發(fā)斜離子回旋波,波的激發(fā)導(dǎo)致質(zhì)子束流的漂移速度下降,使其低于斜離子回旋波的速度閾值;當太陽風(fēng)傳播至0.55 au以外時,平行磁聲波被有效激發(fā),導(dǎo)致質(zhì)子束流的漂移速度低于平行磁聲波的速度閾值.此外,非線性波粒相互作用導(dǎo)致束流漂移速度進一步降低至vbi/vA～1.2.因此,非線性波粒相互作用能解釋太陽風(fēng)中部分質(zhì)子束流的漂移速度接近或稍大于當?shù)匕柗宜俣鹊挠^測結(jié)果,這可能對理解太陽風(fēng)中質(zhì)子束流的減速機制和演化過程有重要作用.