太陽和空間等離子體中兩個與波動相關的問題.pdf

1、本文重點研究了太陽與空間物理中兩個與等離子體波動相關的具體問題：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冕環(huán)協(xié)同加熱機制的研究。 磁場重聯(lián)是空間、天體以及實驗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的磁凍結效應的破壞是磁重聯(lián)理論最

2、關注的中心問題。重聯(lián)點的磁凍結效應的破壞為磁場重聯(lián)提供了驅動機制。在這個問題上，反常電阻一直以來備受關注，被認為可以為快速磁重聯(lián)提供有效的耗散機制。尤其是低雜漂移波不穩(wěn)定性更被許多學者認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的反常電阻，然而，由于他們的觀測位置距重聯(lián)點較遠，得到的結果是“負的”，即低雜波提供的反常電阻遠不能滿足快磁重聯(lián)所需。 本文中，我們報道一則由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行比較。結果發(fā)現(xiàn)在電流片中心，X-點附近，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)內電流片的中心(Bx=0)，得到了與以往工作[Baleetal(2002)；Carteretal(2002)]相同的“負的”結果，即低混雜漂移波產(chǎn)生反常電阻遠遠小于重聯(lián)發(fā)生實際所需電阻。 第二部分工作主要介紹日冕電流片中冕環(huán)的協(xié)同加熱機制。日冕加熱作為太陽物理的挑戰(zhàn)性的問題之一，長達幾十年來一直困擾著科學家。對于太陽表面(光球層、色球層)溫度只有6000度左右的太陽，其外層大氣——日冕的溫度竟高達百萬度，并因此導致巨大的

5、能量以輻射、擴散、傳導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～104Wm-2，即使寧靜區(qū)強度也有3×102Wm-2)。一定存在一種加熱機制使得日冕維持如此高的溫度，平衡因為各種耗散機制引起的能量損失?；诖?，科學家們提出了各種各樣的加熱機制?；谧泓c的運動時間尺度和剪切Alfvén波的特征傳播頻率的比較，這些加熱機制大致可分為：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，這一直是許多科學家致力研究的問題。 但實際上我們認為在日冕電流片中兩種加熱機制相互關聯(lián)、相互補充、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撲位型緊密相關的協(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合的協(xié)同加熱機制。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構(

7、這是日冕電流片加熱理論提出的一種主要機制)，冕環(huán)足點的對流運動也可以在磁分形面產(chǎn)生小尺度的電流片結構，同時這個小尺度的奇異電流片也可以由剪切流導致的Alfvén共振引發(fā)。與此同時，在奇異的電流片結構這樣非常小的空間尺度上，必須考慮到雙流體效應，從而可以激發(fā)動力學Alfvén波(Kinetic Alfvén Wave，KAW)。而動力學Alfvén波也是日冕波加熱理論提出的一種主要機制。我們大致估算了存在奇異層電流片時兩種加熱機制的加熱功

8、率，可以看出，在小尺度的電流結構中，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。這樣一個加熱機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。介紹了基礎物理知識，日冕物理，地磁層內磁場重聯(lián)，以及涉及到的等離子體波動的基本內容；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，重點在低雜波頻段的湍流提供的反常電阻激發(fā)重