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紫金山天文台等在等离子体波粒相互作用的定量化研究中取得进展

2022-05-26 紫金山天文台
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  不同于实验室等离子体粒子频繁碰撞,空间和天体等离子体主要表现为无碰撞特性,等离子体波与带电粒子的相互作用主要影响(在某些情况下甚至控制)粒子动力学行为以及相关的能量传输过程。波粒相互作用导致粒子能化和波动能量耗散,波能化粒子机制被广泛认为是日冕加热和太阳风加速的主要机制之一,波耗散机制也被认为是太阳风湍流耗散的决定性机制。波粒相互作用还进一步用来解释星冕加热、吸积流内电子和离子热不平衡等问题。因而,波粒相互作用与空间和天体多种粒子能化现象紧密相关,是空间和天体等离子体研究中的前沿课题。

  20世纪四十到六十年代,等离子体物理学家基本建立了朗道、渡越时间和回旋共振相互作用的基础理论,并认识到控制波粒能量传输的关键因素是扰动电场和扰动电流的相关性。然而,这些早期理论未解决该领域的一个基础问题,即如何定量化波粒能量传输过程中各种波粒相互作用的贡献。近年来,研究基于卫星观测和数值模拟数据,在不严格区分或不区分各种波粒相互作用类型的情况下,提出电场-电流相关方法,试图对共振波粒相互作用进行定量化研究。

  中国科学院紫金山天文台副研究员赵金松、研究员吴德金,与台湾“中央研究院”地球科学所教授李罗权、比利时皇家学院高层大气和空间研究所教授Viviane Pierrard和Yuriy Voitenko、紫金山天文台博士研究生姚宇航等合作,基于等离子体动理论模型,建立了以扰动电场分量和共振因子为指示器的波粒能量传输理论,提出了一种严格区分各种线性波粒相互作用的理论方法。为了展示该方法的有效性,研究将该方法应用于日地空间环境中最常见的阿尔文模式波,在理论和数值上分析了朗道、渡越时间和回旋类型的共振和非共振波粒相互作用,提出阿尔文色散面存在四个区域,分别由不同的波粒能量传输机制占据主导地位(图1)。对于这四种阿尔文模式波,研究还揭示了速度空间下的共振和非共振波粒能量传输率分布,预测了在多种波粒相互作用下粒子速度分布函数自然演化的归宿,显示了离子尺度阿尔文波的离子能量传输率分布(图2)。该研究在理论上解决了定量化各种线性波粒相互作用在波粒能量传输过程中贡献率的问题,对卫星观测和数值模拟分析具有重要的指导意义。

  近日,相关研究成果在线发表在《天体物理杂志》(The Astrophysical Journal)上。研究工作得到国家自然科学基金的支持。

  论文链接 

  图1.从上到下,阿尔文模式波与质子成分的能量传输率,阿尔文波与电子成分的能量传输率。从左到右,分别为不同共振因子(n=1、n=-1和n=0)作用下的波粒能量传输率。左上图标注了四类阿尔文模式波区域,分别为准平行磁流体阿尔文波(I)、离子回旋波(II)、大角度传播的磁流体和离子尺度阿尔文波(III)、以及亚离子尺度阿尔文波(IV)。

  图2.离子尺度阿尔文波与离子之间的能量传输率。(左上)总的能量传输率;(右上)x-方向能量传输率(来自回旋相互作用);(左下)y-方向能量传输率(来自回旋和渡越时间相互作用);(右下)z-方向能量传输率(来自朗道相互作用)。

打印 责任编辑:侯茜

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