太阳风中离子束流与电磁离子回旋波的相互作用

向梁

(中国科学院紫金山天文台南京 210023)

电磁离子回旋波是指频率低于或者接近离子回旋频率的电磁波,其存在左旋和右旋两种偏振状态.通过回旋共振相互作用,电磁离子回旋波能直接与粒子发生能量交换,对太阳风等离子体加热和加速等能化现象起着重要作用.然而,太阳风中电磁离子回旋波的激发机制及其波粒相互作用尚未完全清楚.本学位论文深入、系统地研究了太阳风等离子体环境下离子束流对电磁离子回旋波激发机制的影响及其波粒相互作用,为进一步理解与解释太阳风中微观等离子体物理过程、扰动的物理本质以及粒子能化现象等物理问题提供良好的理论依据.

首先,介绍电磁离子回旋波的双流体和动力论的理论模型、波动特性、太阳风中电磁离子回旋波的观测特征、离子束流的观测特征、电磁离子回旋波的激发机制及其波粒相互作用.

其次,研究在质子和电子束流激发离子回旋波情形下,比较了反应和动力学不稳定性的相对重要性,并讨论这两种不稳定性对太阳风回旋波激发机制的影响.对于质子束流激发离子回旋波的情形,结果显示:动力学不稳定性存在较低的速度阈值vbi∼vA(其中vbi和vA分别表示质子束流的漂移速度和当地阿尔芬速度),当vbi>2vA时,反应不稳定性将变得更加重要.当质子束流速度满足170vA),反应不稳定性能有效激发离子回旋波.

再次,鉴于太阳风中α粒子的普遍性和重要性,我们研究α粒子对电磁离子回旋波激发机制的影响.结果表明:电磁离子回旋波的实频、生长率和不稳定性阈值敏感依赖于α粒子的漂移速度和密度.随着α粒子的漂移速度增加,离子回旋波和磁声波的生长率先减少后增加,且对离子回旋波影响更显著.对比太阳风观测,质子束流的漂移速度通常小于或者接近理论预测的回旋波速度阈值,这暗示着太阳风中离子回旋和磁声不稳定性可以有效束缚质子束流的漂移速度.

最后,为了进一步研究太阳风中质子束流的减速机制与演化过程,我们研究斜离子回旋波和平行磁声波对质子束流演化的影响,并考虑非线性波粒相互作用对束流减速的影响,从而建立太阳风质子束流演化的物理模型.结果表明:斜离子回旋波和平行磁声波存在不同的不稳定性激发区间.当电子等离子体热压磁压比满足βe0.5时,斜离子回旋波能有效地激发,而当βe时,平行磁声波变得更加重要,其中为临界电子等离子体热压磁压比.当太阳风从太阳往外传播时,质子束流能有效激发斜离子回旋波,波的激发导致质子束流的漂移速度下降,使其低于斜离子回旋波的速度阈值;当太阳风传播至0.55 au以外时,平行磁声波被有效激发,导致质子束流的漂移速度低于平行磁声波的速度阈值.此外,非线性波粒相互作用导致束流漂移速度进一步降低至vbi/vA∼1.2.因此,非线性波粒相互作用能解释太阳风中部分质子束流的漂移速度接近或稍大于当地阿尔芬速度的观测结果,这可能对理解太阳风中质子束流的减速机制和演化过程有重要作用.