【摘要】：作為一顆行星,地球,人類唯一的家園,已經(jīng)圍繞著太陽(yáng)在其軌道上持續(xù)運(yùn)行了約46億年。太陽(yáng)居于太陽(yáng)系的中心是一個(gè)巨大的炙熱的等離子體球,并且在其核心發(fā)生著劇烈的核聚變反應(yīng)同時(shí)釋放出大量的能量進(jìn)入行星際空間。日冕是太陽(yáng)大氣的最外面一層,其溫度可以被加熱到百萬(wàn)度量級(jí)。由于日冕如此的高溫,日冕和行星際空間之間的巨大壓力差能夠驅(qū)使日冕吹出大量的伴隨著磁場(chǎng)的電離的太陽(yáng)等離子體,這被稱之為太陽(yáng)風(fēng)�？臻g觀測(cè)中發(fā)現(xiàn),一支大尺度的低頻磁場(chǎng)擾動(dòng)波模普遍存在于太陽(yáng)風(fēng)中。而且,上述這支低頻磁場(chǎng)擾動(dòng)波模稱之為阿爾文波,它被看作為解釋日冕加熱和太陽(yáng)風(fēng)加速的可能候選者。這篇博士論文主要是關(guān)于,阿爾文非相干波譜的參量不穩(wěn)定性以及在參量不穩(wěn)定性演化過程中離子的加熱。(1)雖然阿爾文波是理想不可壓縮磁流體力學(xué)(MHD)方程組的精確解,但是它依然可以發(fā)生3種參量不穩(wěn)定性,分別稱作:衰變不穩(wěn)定性,拍不穩(wěn)定性,調(diào)制不穩(wěn)定性。參量不穩(wěn)定性涉及到非線性波-波相互作用,能夠?qū)崿F(xiàn)在不同波模之間傳輸能量,這給阿爾文波提供了一種耗散途徑。在本篇博士論文的第一個(gè)工作中,使用一維(1-D)混合模擬模型在低beta的電子-質(zhì)子等離子體系統(tǒng)中,我們研究了阿爾文非相干波譜的參量不穩(wěn)定性并發(fā)現(xiàn)參量不穩(wěn)定性的演化呈現(xiàn)兩個(gè)階段。在第1個(gè)階段中,阿爾文泵波譜發(fā)生包絡(luò)調(diào)制并產(chǎn)生出一系列低頻密度模,隨后這些新產(chǎn)生的密度模與阿爾文泵波譜發(fā)生耦合進(jìn)一步產(chǎn)生新的高頻磁場(chǎng)模。因此,更多的具有寬帶譜結(jié)構(gòu)的密度模和磁場(chǎng)模被激發(fā)出來。在第2個(gè)階段中,來自于初始阿爾文泵波譜中的每一支單色阿爾文波分別地發(fā)生參量衰變。在阿爾文泵波譜參量不穩(wěn)定性的飽和階段,質(zhì)子束流沿著背景磁場(chǎng)B。方向產(chǎn)生。(2)太陽(yáng)日冕和太陽(yáng)風(fēng)中的重離子選擇加熱是一個(gè)長(zhǎng)期以來的熱點(diǎn)話題。在本篇博士論文的第二個(gè)工作中,同樣使用1-D混合模擬模型在低beta的電子-質(zhì)子-氦離子等離子體系統(tǒng)中,我們研究了平行傳播的阿爾文非相干波譜的參量不穩(wěn)定性過程中氦離子的加熱。與前面介紹的第一個(gè)工作的結(jié)果相似,這里的參量不穩(wěn)定性的演化(含有氦離子)也經(jīng)歷了兩個(gè)階段,分別對(duì)應(yīng)于氦離子加熱的兩個(gè)階段。在兩個(gè)演化階段中,氦離子在垂直于B0方向上均被有效加熱,這來自于氦離子與高頻磁場(chǎng)模的回旋共振。同時(shí),氦離子與密度模之間的朗道共振引起氦離子平行方向上的加熱。在整個(gè)參量不穩(wěn)定性演化過程中,質(zhì)子只有平行方向被加熱,垂直方向沒有加熱。(3)為了進(jìn)一步研究初始斜傳阿爾文非相干波譜的參量不穩(wěn)定性過程中氦離子的加熱,在本篇博士論文的第三個(gè)工作中,我們將上面第二個(gè)工作推廣到2-D混合模擬模型中,研究了離子加熱和波譜(密度波譜和磁場(chǎng)波譜由參量不穩(wěn)定性激發(fā))演化之間的關(guān)系,并發(fā)現(xiàn)波-波耦合以及波-粒相互作用在離子加熱中起到了關(guān)鍵作用。小斜傳角度的初始阿爾文泵波譜(例如:θk0B0=15°,表示初始阿爾文泵波的波矢k0和背景磁場(chǎng)B。之間的傾斜角),比單色阿爾文泵波以及大斜傳角度的阿爾文泵波譜,可以更有效地在垂直方向上加熱氦離子。同時(shí),在平行方向上質(zhì)子和氦離子也都可以被小斜傳角度的阿爾文泵波譜更有效地加熱。此外,離子(質(zhì)子、氦離子)束流在平行于B0方向上產(chǎn)生,不依賴于阿爾文泵波的初始斜傳角度。離子束流的產(chǎn)生主要來自于離子和參量不穩(wěn)定性激發(fā)的離子聲波(ion acoustic wave,IAW)之間的朗道共振(在參量不穩(wěn)定性演化后期階段)。然而,氦離子垂直方向加熱主要來自于氦離子和高頻阿爾文波(Alfvenwave,AW)之間的回旋共振,這些高頻AW模來自于參量不穩(wěn)定性演化早期和后期兩個(gè)階段中的非線性波-波相互作用。第三個(gè)工作的研究還沒有完全完成,目前的結(jié)果還需要進(jìn)一步的改進(jìn)。
【圖文】：

第一章緒論逡逑１．１空間物理環(huán)境介紹逡逑１．１．１太陽(yáng)系的中心天體——太陽(yáng)逡逑銀河系中大約有一千億顆恒星，太陽(yáng)是其中的一顆光譜型為Ｇ２Ｖ的普通主逡逑序星，其位于銀河系中獵戶座旋臂上（如圖１．１．丨．１），距離銀河系中心約２．６萬(wàn)逡逑光年Ｕ，２］。然而，太陽(yáng)是太陽(yáng)系的中心天體，是日地行星系統(tǒng)中唯一的一顆恒星，逡逑也是地球上生命所需能量的重要來源。太陽(yáng)的直徑是地球的１０９倍，質(zhì)量是地球逡逑的３３萬(wàn)倍，由７３％的氫，２５％的氦以及其它重元素（氧、碳、氖、鐵）組成，逡逑其占據(jù)了太陽(yáng)系總質(zhì)量的９９．８６％［３－５］。因此，太陽(yáng)的物理結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)分布以及運(yùn)逡逑動(dòng)狀態(tài)將決定整個(gè)太陽(yáng)系的演化，從而影響我們?nèi)祟愃幼〉牡厍�。了解和研宄逡逑太�?yáng)以及日地空間環(huán)境，有助于我們預(yù)報(bào)和預(yù)防空間天氣災(zāi)害，改善人類生存環(huán)逡逑境，以及推動(dòng)人類未來的行星際航行和宇宙深空探測(cè)。逡逑

圖１．１．１．２太陽(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖片來源：逡逑ｈｔｔｐｓ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．Ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｆｉｌｅ：Ｓｕｎ邋ｐｏｓｔｅｒ．ｓｖｇ邋）逡逑日核區(qū)域從太陽(yáng)中心一直延伸到約０．２５邋＆處（。表示太陽(yáng)半徑）。大約在４６逡逑億年前，銀河系中一團(tuán)巨型分子云通過引力坍縮形成一簇恒星群，太陽(yáng)就誕生在逡逑其中［３，６］�，F(xiàn)在的日核區(qū)域具有高溫（約ｌ５，７00，000Ｋ）、高密（約１５０ｇ／ｃｍ３）、高逡逑壓（約３０００億個(gè)大氣壓），其中進(jìn)行著劇烈的核聚變反應(yīng)，每秒中將約６億噸氫逡逑燃燒轉(zhuǎn)換成約５．９６億噸的氦，并釋放出相當(dāng)于４００百萬(wàn)噸氫的能量（五＝ｗｃ２）逡逑［３－７］。日核區(qū)域的核聚變反應(yīng)為太陽(yáng)提供了能量來源，當(dāng)這些能量向外輸運(yùn)時(shí)太逡逑陽(yáng)的其他部分會(huì)被加熱，最后由光球?qū)右怨獠ǖ男问教右莼蛘咿D(zhuǎn)化成太陽(yáng)大氣等逡逑離子體中粒子的動(dòng)能［６，８］。逡逑輻射區(qū)域大約是從０．２５邋＾延伸到０．７，這個(gè)區(qū)域包含了各種電磁輻射和粒逡逑子流。然而差旋層（ｔａｃｈｏｄｉｎｅ）是位于輻射區(qū)域和對(duì)流區(qū)域之間的過渡層，其層逡逑厚度約有０．０４�！，F(xiàn)在有一種假說認(rèn)為，由于輻射區(qū)域和對(duì)流區(qū)域之間存在旋轉(zhuǎn)逡逑速度差，，在差旋層內(nèi)可以產(chǎn)生大尺度的太陽(yáng)磁場(chǎng)ｆ９，１Ｇ］。繼續(xù)往外從大約０．７＆延逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：P353

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本文編號(hào)：2699464