太阳风中等离子体波动的观测研究

张超超

摘 要：等离子体波活动的激发和增强是太阳风等离子体中各种不稳定性及动力学过程引起的，同时波粒相互作用、波波非线性相互作用直接影响等离子体的粒子分布以及能量状态，因此太阳风中等离子体波动的观测为行星际中重要的基础等离子体物理过程，如质子加热、磁重联过程、行星际激波对粒子加速以及太阳II型、III型射电的激发机制等提供了重要的实时诊断信息。

关键词：等离子体；玻粒作用；太阳风；波动

0引言

太阳风中等离子体波动（包括射电）的实时观测及理论解释一直是空间物理研究的一个热点。一方面，在整个太阳系中太阳风作为一种无碰撞等离子体，等离子体波活动在能量、动量传输和转换过程中扮演着重要角色，起着一种类似于普通流体中碰撞的作用。太阳射电的观测与太阳爆发活动包括CME、耀斑及太阳能量粒子事件（SEP）等密切相关，弄清楚射电的物理机制及传播机制以及与爆发活动的关系则可利用常规射电观测对太阳爆发活动的产生和传播过程进行预报，从空间天气预报的角度这方面的研究具有很强的应用价值。下面简单介绍一些近年来太阳风中等离子体波动观测上的一些研究内容以及我们分析磁云边界层内部朗缪尔波活动的初步结果。

1太阳风中等离子体波动的观测

迄今为止很多日球层探测卫星譬如Pioneer 8，Pioneer 9，Helios 1&2，Voyager 1&2，ISEE-3，WIND，Ulysses等搭载的等离子体波动观测仪器给出了内日球层、1AU附近及外日球层黄道面内和日球层高纬区域的观测现象。不同的卫星观测到的波动模式基本上相同，只是随着探测技术的提高以及多卫星联合观测的开展，很多新的现象以及波动的精细结构才被人们逐步发现。表1列举了太阳风中存在的波模及其频率范围和可能的激发机制。其中，f 为飞船观测到的波动频率，fpi、fpe、fce和fLHR分别为离子等离子体频率、电子等离子体频率、子回旋频率及低混杂共振频率。

在太阳风中探测到的最普遍的波模是频率介于离子等离子体频率和电子等离子体频率之间（fpi< f 1而观测到，在磁云外则因为Te/Tp<1而不被观测到。Osherovich and Burlaga （1997） 分析Ulysses飞船于4.64AU的观测资料时也发现离子声波可在磁云中被观测到，而在磁云外面则观测不到。Mac Dowall et al.（1996a）分析Ulysses飞船于1991–1995年期间高（±80?）极冕洞中的波活动，也发现了此种特征频率的离子声波活动，但是其电子与质子的温度比总有Te/Tp<1，所以他们认为这种波活动有可能不是离子声波而是其它的什么波模。Gary and Omidi（1987）出Te/Tp<1情况下当离子束流温度相对离子核心温度比较低时，离子–离子声不稳定性可能存在，这里可以作为解释在Te/Tp比较小时离子声波没有被强阻尼的原因。

太阳风中另外一个显著波活动现象是发生在电子等离子体频率附近的朗缪尔波爆发现象。相对于背景热噪声，朗缪尔波爆发强度比较高，但是在太阳风中很少被观测到。现在最为普通接受的观点是朗缪尔波爆发是由电子束流或起源于太阳或行星际加速的高能电子引起的双流不稳定性激发的。来源于太阳耀斑加速的高能电子沿磁力线进入行星际空间在太阳风等离子体中激发频率为局地等离子体频率的朗缪尔波，朗缪尔波通过热离子散射或者与低频波聚合可以转化为逃逸的横波辐射，即我们观测的III型射电.由于随着日心距的增加，等离子体密度逐渐减小，电子在传播过程中激发的朗缪尔波频率逐渐减小，所以表现出III型射电的频率漂移特性.这种III型射电相关联的朗缪尔波爆发事件经常被观测到，被用于解释 III 型射电的激发机制.但是也有一些朗缪尔波爆发不伴随 III 型射电，这可能与行星际局地加速的电子引起的，如行星际激波加速的电子或者磁场重联过程中被加速的电子。

2进一步研究内容

在太阳风中观测到的波模还包括低频的哨声波，低混杂波等等，一直以来有很多研究者致力于理论上研究等离子体的相关不稳定性如何激发这些波模。Moullard et al. （2001）利用WIND飞船WAVES的观测数据证认了一个磁云中的哨声波和朗缪尔波爆发同时被观测到的事件，认为其中超热电子可能源于在磁云与邻近行星际磁场间的重联点处被加速的电子.Lin et al. （1995a）报道了在磁洞中经常观测到朗缪尔波爆发，同时一部分这种朗缪尔波爆发伴随着多普勒漂移离子声波和低于电子回旋频率的哨声波。这也是近年来Ulysses飞船观测到的太阳风中等离子体波活动的重要的新现象之一。近十年来新的卫星波活动探测仪器发现的这些新现象，为基础等离子体理论提出了新的课题和挑战，如：离子声波在Te/Tp<1时仍然能被观测到，是什么类型不稳定性激发这种波模，为什么没有被强阻尼？磁洞内部的朗缪尔波的激发机制是什么？其中离子声波、哨声波经常伴随朗缪尔波出现，他们之间非线性相互作用及因果关系是什么样的？等等，这些都值得开展更深入的研究。

参考文献：

[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.