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        太陽(yáng)風(fēng)中等離子體波動(dòng)的觀測(cè)研究

        2016-06-06 22:38:00張超超
        北極光 2016年4期
        關(guān)鍵詞:太陽(yáng)風(fēng)等離子體波動(dòng)

        張超超

        摘 要:等離子體波活動(dòng)的激發(fā)和增強(qiáng)是太陽(yáng)風(fēng)等離子體中各種不穩(wěn)定性及動(dòng)力學(xué)過(guò)程引起的,同時(shí)波粒相互作用、波波非線性相互作用直接影響等離子體的粒子分布以及能量狀態(tài),因此太陽(yáng)風(fēng)中等離子體波動(dòng)的觀測(cè)為行星際中重要的基礎(chǔ)等離子體物理過(guò)程,如質(zhì)子加熱、磁重聯(lián)過(guò)程、行星際激波對(duì)粒子加速以及太陽(yáng)II型、III型射電的激發(fā)機(jī)制等提供了重要的實(shí)時(shí)診斷信息。

        關(guān)鍵詞:等離子體;玻粒作用;太陽(yáng)風(fēng);波動(dòng)

        0引言

        太陽(yáng)風(fēng)中等離子體波動(dòng)(包括射電)的實(shí)時(shí)觀測(cè)及理論解釋一直是空間物理研究的一個(gè)熱點(diǎn)。一方面,在整個(gè)太陽(yáng)系中太陽(yáng)風(fēng)作為一種無(wú)碰撞等離子體,等離子體波活動(dòng)在能量、動(dòng)量傳輸和轉(zhuǎn)換過(guò)程中扮演著重要角色,起著一種類(lèi)似于普通流體中碰撞的作用。太陽(yáng)射電的觀測(cè)與太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)包括CME、耀斑及太陽(yáng)能量粒子事件(SEP)等密切相關(guān),弄清楚射電的物理機(jī)制及傳播機(jī)制以及與爆發(fā)活動(dòng)的關(guān)系則可利用常規(guī)射電觀測(cè)對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)的產(chǎn)生和傳播過(guò)程進(jìn)行預(yù)報(bào),從空間天氣預(yù)報(bào)的角度這方面的研究具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。下面簡(jiǎn)單介紹一些近年來(lái)太陽(yáng)風(fēng)中等離子體波動(dòng)觀測(cè)上的一些研究?jī)?nèi)容以及我們分析磁云邊界層內(nèi)部朗繆爾波活動(dòng)的初步結(jié)果。

        1太陽(yáng)風(fēng)中等離子體波動(dòng)的觀測(cè)

        迄今為止很多日球?qū)犹綔y(cè)衛(wèi)星譬如Pioneer 8,Pioneer 9,Helios 1&2,Voyager 1&2,ISEE-3,WIND,Ulysses等搭載的等離子體波動(dòng)觀測(cè)儀器給出了內(nèi)日球?qū)印?AU附近及外日球?qū)狱S道面內(nèi)和日球?qū)痈呔晠^(qū)域的觀測(cè)現(xiàn)象。不同的衛(wèi)星觀測(cè)到的波動(dòng)模式基本上相同,只是隨著探測(cè)技術(shù)的提高以及多衛(wèi)星聯(lián)合觀測(cè)的開(kāi)展,很多新的現(xiàn)象以及波動(dòng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)才被人們逐步發(fā)現(xiàn)。表1列舉了太陽(yáng)風(fēng)中存在的波模及其頻率范圍和可能的激發(fā)機(jī)制。其中,f 為飛船觀測(cè)到的波動(dòng)頻率,fpi、fpe、fce和fLHR分別為離子等離子體頻率、電子等離子體頻率、子回旋頻率及低混雜共振頻率。

        在太陽(yáng)風(fēng)中探測(cè)到的最普遍的波模是頻率介于離子等離子體頻率和電子等離子體頻率之間(fpi< f 1而觀測(cè)到,在磁云外則因?yàn)門(mén)e/Tp<1而不被觀測(cè)到。Osherovich and Burlaga (1997) 分析Ulysses飛船于4.64AU的觀測(cè)資料時(shí)也發(fā)現(xiàn)離子聲波可在磁云中被觀測(cè)到,而在磁云外面則觀測(cè)不到。Mac Dowall et al.(1996a)分析Ulysses飛船于1991–1995年期間高(±80?)極冕洞中的波活動(dòng),也發(fā)現(xiàn)了此種特征頻率的離子聲波活動(dòng),但是其電子與質(zhì)子的溫度比總有Te/Tp<1,所以他們認(rèn)為這種波活動(dòng)有可能不是離子聲波而是其它的什么波模。Gary and Omidi(1987)出Te/Tp<1情況下當(dāng)離子束流溫度相對(duì)離子核心溫度比較低時(shí),離子–離子聲不穩(wěn)定性可能存在,這里可以作為解釋在Te/Tp比較小時(shí)離子聲波沒(méi)有被強(qiáng)阻尼的原因。

        太陽(yáng)風(fēng)中另外一個(gè)顯著波活動(dòng)現(xiàn)象是發(fā)生在電子等離子體頻率附近的朗繆爾波爆發(fā)現(xiàn)象。相對(duì)于背景熱噪聲,朗繆爾波爆發(fā)強(qiáng)度比較高,但是在太陽(yáng)風(fēng)中很少被觀測(cè)到。現(xiàn)在最為普通接受的觀點(diǎn)是朗繆爾波爆發(fā)是由電子束流或起源于太陽(yáng)或行星際加速的高能電子引起的雙流不穩(wěn)定性激發(fā)的。來(lái)源于太陽(yáng)耀斑加速的高能電子沿磁力線進(jìn)入行星際空間在太陽(yáng)風(fēng)等離子體中激發(fā)頻率為局地等離子體頻率的朗繆爾波,朗繆爾波通過(guò)熱離子散射或者與低頻波聚合可以轉(zhuǎn)化為逃逸的橫波輻射,即我們觀測(cè)的III型射電.由于隨著日心距的增加,等離子體密度逐漸減小,電子在傳播過(guò)程中激發(fā)的朗繆爾波頻率逐漸減小,所以表現(xiàn)出III型射電的頻率漂移特性.這種III型射電相關(guān)聯(lián)的朗繆爾波爆發(fā)事件經(jīng)常被觀測(cè)到,被用于解釋 III 型射電的激發(fā)機(jī)制.但是也有一些朗繆爾波爆發(fā)不伴隨 III 型射電,這可能與行星際局地加速的電子引起的,如行星際激波加速的電子或者磁場(chǎng)重聯(lián)過(guò)程中被加速的電子。

        2進(jìn)一步研究?jī)?nèi)容

        在太陽(yáng)風(fēng)中觀測(cè)到的波模還包括低頻的哨聲波,低混雜波等等,一直以來(lái)有很多研究者致力于理論上研究等離子體的相關(guān)不穩(wěn)定性如何激發(fā)這些波模。Moullard et al. (2001)利用WIND飛船WAVES的觀測(cè)數(shù)據(jù)證認(rèn)了一個(gè)磁云中的哨聲波和朗繆爾波爆發(fā)同時(shí)被觀測(cè)到的事件,認(rèn)為其中超熱電子可能源于在磁云與鄰近行星際磁場(chǎng)間的重聯(lián)點(diǎn)處被加速的電子.Lin et al. (1995a)報(bào)道了在磁洞中經(jīng)常觀測(cè)到朗繆爾波爆發(fā),同時(shí)一部分這種朗繆爾波爆發(fā)伴隨著多普勒漂移離子聲波和低于電子回旋頻率的哨聲波。這也是近年來(lái)Ulysses飛船觀測(cè)到的太陽(yáng)風(fēng)中等離子體波活動(dòng)的重要的新現(xiàn)象之一。近十年來(lái)新的衛(wèi)星波活動(dòng)探測(cè)儀器發(fā)現(xiàn)的這些新現(xiàn)象,為基礎(chǔ)等離子體理論提出了新的課題和挑戰(zhàn),如:離子聲波在Te/Tp<1時(shí)仍然能被觀測(cè)到,是什么類(lèi)型不穩(wěn)定性激發(fā)這種波模,為什么沒(méi)有被強(qiáng)阻尼?磁洞內(nèi)部的朗繆爾波的激發(fā)機(jī)制是什么?其中離子聲波、哨聲波經(jīng)常伴隨朗繆爾波出現(xiàn),他們之間非線性相互作用及因果關(guān)系是什么樣的?等等,這些都值得開(kāi)展更深入的研究。

        參考文獻(xiàn):

        [1]Gosling, J. T., Coronal mass ejections and magnetic flux ropes in interplanetary space, inPhysics of Flux Ropes, Geophysical Monograph Series, vol. 58, edited by C. T. Russell,E. R. Priest, and L. C. Lee, pp. 343–364, American Geophysical Union, Washington DC,1990.

        [2]Moullard, O., D. Burgess, C. Salem, A. Mangeney, D. E. Larson, and S. D. Bale, Whistlerwaves, Langmuir waves and single loss cone electron distributions inside a magneticcloud: Observations, J. Geophys. Res., 106, 8301–8314, 2001.

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