向梁

(中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)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(guò)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(duì)太陽(yáng)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(yáng)風(fēng)中電磁離子回旋波的激發(fā)機(jī)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(yáng)風(fēng)等離子體環(huán)境下離子束流對(duì)電磁離子回旋波激發(fā)機(jī)制的影響及其波粒相互作用,為進(jìn)一步理解與解釋太陽(yáng)風(fēng)中微觀等離子體物理過(guò)程、擾動(dòng)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(dòng)力論的理論模型、波動(dòng)特性、太陽(yáng)風(fēng)中電磁離子回旋波的觀測(cè)特征、離子束流的觀測(cè)特征、電磁離子回旋波的激發(fā)機(jī)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(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性的相對(duì)重要性,并討論這兩種不穩(wěn)定性對(duì)太陽(yáng)風(fēng)回旋波激發(fā)機(jī)制的影響.對(duì)于質(zhì)子束流激發(fā)離子回旋波的情形,結(jié)果顯示:動(dòng)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(dāng)?shù)匕柗宜俣?,當(dāng)vbi>2vA時(shí),反應(yīng)不穩(wěn)定性將變得更加重要.當(dāng)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(yáng)風(fēng)中α粒子的普遍性和重要性,我們研究α粒子對(duì)電磁離子回旋波激發(fā)機(jī)制的影響.結(jié)果表明:電磁離子回旋波的實(shí)頻、生長(zhǎng)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(zhǎng)率先減少后增加,且對(duì)離子回旋波影響更顯著.對(duì)比太陽(yáng)風(fēng)觀測(cè),質(zhì)子束流的漂移速度通常小于或者接近理論預(yù)測(cè)的回旋波速度閾值,這暗示著太陽(yáng)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(jìn)一步研究太陽(yáng)風(fēng)中質(zhì)子束流的減速機(jī)制與演化過(guò)程,我們研究斜離子回旋波和平行磁聲波對(duì)質(zhì)子束流演化的影響,并考慮非線性波粒相互作用對(duì)束流減速的影響,從而建立太陽(yáng)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(dāng)電子等離子體熱壓磁壓比滿足βe0.5時(shí),斜離子回旋波能有效地激發(fā),而當(dāng)βe時(shí),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(dāng)太陽(yáng)風(fēng)從太陽(yáng)往外傳播時(shí),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(dāng)太陽(yáng)風(fēng)傳播至0.55 au以外時(shí),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(jìn)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(yáng)風(fēng)中部分質(zhì)子束流的漂移速度接近或稍大于當(dāng)?shù)匕柗宜俣鹊挠^測(cè)結(jié)果,這可能對(duì)理解太陽(yáng)風(fēng)中質(zhì)子束流的減速機(jī)制和演化過(guò)程有重要作用.