【摘要】：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,其偏振特性分為左旋和右旋兩種不同的偏振狀態(tài)。由于波的頻率接近離子回旋頻率,電磁離子回旋波能和離子有效地發(fā)生回旋共振。因此,電磁離子回旋波在太陽(yáng)和空間等離子體的波能耗散、粒子加熱和加速等能化現(xiàn)象中具有重要的作用,并廣泛地應(yīng)用于極光加速區(qū)反常電阻的產(chǎn)生、冕環(huán)中高能電子的加速、冕洞中重離子的優(yōu)先加熱、日冕大氣等離子體加熱、太陽(yáng)風(fēng)粒子加速和加熱等能化現(xiàn)象。許多的空間觀測(cè)研究表明,電磁離子回旋波在太陽(yáng)風(fēng)中大量存在,彌漫于整個(gè)行星際空間,是最基本也是最重要的低頻波動(dòng)模式之一。一直以來(lái),電磁離子回旋波的產(chǎn)生和激發(fā)機(jī)制引起了人們的廣泛關(guān)注和興趣,并由此提出了許多的激發(fā)機(jī)制解釋存在于太陽(yáng)和空間等離子體中的電磁離子回旋波,如質(zhì)子溫度各向異性、粒子束流、粒子損失錐分布和拾起離子(pick up ions)等不穩(wěn)定性。基于這一思想,本學(xué)位論文深入、系統(tǒng)地研究在太陽(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)一步了解與解釋太陽(yáng)風(fēng)中微觀等離子體物理過(guò)程,擾動(dòng)的物理本質(zhì)以及詳細(xì)的粒子能化現(xiàn)象等物理問(wèn)題提供良好的理論依據(jù)。本文的第一章簡(jiǎn)要介紹了電磁離子回旋波的雙流體和動(dòng)力論的理論模型、基本物理特性、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。論文的第二章詳細(xì)介紹了在質(zhì)子和電子束流激發(fā)離子回旋波情形下,比較和討論了反應(yīng)(reactive)和動(dòng)力學(xué)(kinetic)不穩(wěn)定性及這兩種不穩(wěn)定性對(duì)太陽(yáng)風(fēng)中回旋波激發(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:(1)動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性存在低的速度閾值,而當(dāng)質(zhì)子束流的漂移速度大于反應(yīng)不穩(wěn)定性的速度閾值時(shí)(VbiVcbi),反應(yīng)不穩(wěn)定性將變得更加重要;(2)兩種不穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)的波數(shù)區(qū)間不一樣,反應(yīng)不穩(wěn)定性主要發(fā)生在0Kzkzc的波數(shù)區(qū)間,而動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性則在KzKzc的波數(shù)區(qū)間有顯著的生長(zhǎng);(3)動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性的最大生長(zhǎng)率發(fā)生在束流的速度區(qū)間1Vbi/VA2.5,這意味著在太陽(yáng)風(fēng)中即使質(zhì)子束流的漂移速度很低,動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性依然能有效激發(fā)離子回旋波。另一方面,對(duì)于電子束流激發(fā)離子回旋波的情形,結(jié)果顯示:(1)動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性的生長(zhǎng)率小于或者等于零,這意味著電子束流不能激發(fā)動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性;(2)反應(yīng)不穩(wěn)定性能有效激發(fā)離子回旋波,且其電子束流漂移速度的閾值為Vbec70νA。因此,太陽(yáng)風(fēng)中的電子束流能有效激發(fā)離子回旋波。在接下來(lái)的第三章中,基于等離子體動(dòng)力論模型,研究在質(zhì)子束流激發(fā)電磁離子回旋波的情形下,考慮α粒子對(duì)回旋波的影響。結(jié)果表明:(1)電磁離子回旋波的色散關(guān)系、生長(zhǎng)率和不穩(wěn)定性閾值都敏感依賴于α粒子的漂移速度和密度;(2)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)率都是先減少后增加,但是α粒子漂移速度的變化對(duì)離子回旋波影響更大;(3)對(duì)比兩種波的閾值,發(fā)現(xiàn)磁聲波存在低的速度閾值,且α粒子漂移速度的變化能顯著影響離子回旋和磁聲不穩(wěn)定性的速度閾值。同時(shí),我們運(yùn)用WHAMP動(dòng)力論程序去驗(yàn)證解析解的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)解析解和WHAMP動(dòng)力論程序計(jì)算的結(jié)果吻合得非常好。進(jìn)一步應(yīng)用離子回旋和磁聲不穩(wěn)定性解釋太陽(yáng)風(fēng)束流減速的現(xiàn)象,基于不穩(wěn)定性閾值的分析顯示太陽(yáng)風(fēng)中質(zhì)子束流的漂移速度通常小于或者接近理論預(yù)測(cè)的回旋波的速度閾值,這暗示了離子回旋和磁聲不穩(wěn)定性可以有效地束縛質(zhì)子束流的漂移速度,從而將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為波能。在第四章中,我們進(jìn)一步研究斜傳播的離子回旋波和平行傳播的磁聲波對(duì)質(zhì)子束流演化的影響,并考慮線性和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)果顯示:(1)斜傳播的離子回旋波和平行傳播的磁聲波的不穩(wěn)定性速度閾值敏感依賴于電子熱壓比磁壓βe凡和質(zhì)子束流的密度nbi/n0,當(dāng)βeβce,斜傳播的離子回旋波能有效地激發(fā),而當(dāng)βeβec,平行傳播的磁聲波將變得更加重要;(2)當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)遠(yuǎn)離太陽(yáng)向外傳播時(shí),由于當(dāng)?shù)匕柗宜俣萔A減小,而質(zhì)子束流的漂移速度Vbi維持不變。因此,歸一化的束流速度Vbi/VA增加。當(dāng)Vbi/VA大于或者接近離子回旋波的速度閾值時(shí),質(zhì)子束流能有效激發(fā)斜傳播的離子回旋波,從而導(dǎo)致質(zhì)子束流減速;當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)傳播到0.55 AU附近時(shí),平行傳播的磁聲波將有效地激發(fā),從而導(dǎo)致束流的速度低于波的速度閾值。另一方面,為了進(jìn)一步考慮非線性波粒相互作用對(duì)質(zhì)子束流減速的影響,我們采用混合模擬研究離子回旋波和磁聲波的演化及其波粒相互作用過(guò)程。模擬的結(jié)果表明:(1)當(dāng)束流速度高于斜傳播的離子回旋波和平行傳播的磁聲波的不穩(wěn)定性閾值時(shí),這兩種波都能有效地激發(fā),從而導(dǎo)致質(zhì)子束流減速;對(duì)于線性階段的波動(dòng)特性,模擬結(jié)果跟理論結(jié)果符合得非常好;(2)非線性波粒相互作用導(dǎo)致束流速度進(jìn)一步降低,使得束流的速度變?yōu)閂bi/V～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,對(duì)理解太陽(yáng)風(fēng)中質(zhì)子束流的減速問(wèn)題和演化的物理過(guò)程起重要作用。第五章簡(jiǎn)要總結(jié)了本學(xué)位論文的主要研究成果,并初步思考和展望了相關(guān)領(lǐng)域未來(lái)研究的發(fā)展方向及研究前景。
【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】：2019
【分類號(hào)】：P353.8

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本文編號(hào)：2764179