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日冕物质抛射(简称CME)是太阳大气中最剧烈、太阳系中尺度最大的活动现象。它在短时间内从日冕抛射出1011~1013kg携带磁场的物质进入行星际空间。太阳活动是空间天气变化的源泉,而日冕物质抛射则是产生灾害性空间天气的主要因素。对日冕物质抛射的前身结构、触发机制、传播规律等过程的研究,其意义是重要的。
由耀斑和CME过程中产生的激波作为一种粒子加速机制一直是理论研究感兴趣的课题,其中扩散激波加速更是理论和数值研究的重点。而扩散激波加速需要粒子被散射来回穿越激波多次,才能获得有效加速。但由于在空间等离子体中粒子间的库仑碰撞可以忽略,只有通过波粒相互作用散射粒子。而这种波通常被认为是高能粒子自身激发的阿尔芬波。
第一章首先介绍了研究太阳高能粒子的意义,阐述了太阳表面的剧烈活动对地球生存环境和人类的活动产生的重要影响;然后介绍了阿尔芬波的产生原理,说明阿尔芬波最显著的特征就是,它只沿背景磁场方向传播,因此随着距离的增加,不能横越背景磁场传播,这对宇宙等离子体中能量的输运和转移有着重要的意义。
第二章讨论了激波加速理论以及数值模拟的进展。对动力学阿尔芬波的几种产生和激发机制进行了总结。激波漂移加速和扩散加速是两种主要的激波加速机制,并且扩散激波加速从解析和数值模拟两个方面已得到了广泛的研究。动力学阿尔芬波的激发机制本质上都属于波-粒共振相互作用或波-波相互作用的范畴。重点介绍了几种动力学阿尔芬波的产生方式:离子束流,共振模式转化,波-波相互作用和参量衰变。
第三章通过推导热等离子体中的束流质子激发的阿尔芬波的色散关系,研究阿尔芬波的特性及影响条件,并与冷等离子体的结果进行比较,探讨粒子热运动对阿尔芬波特性的影响。结果表明:增长率的峰值大小随角度的增大,逐渐变小,变化较明显,这与冷背景等离子体时的结果明显不同;在平移速度较大时,粒子的热运动影响已不明显,结果与冷等离子体一致,而在速度较小时,呈现较为复杂的情况,说明粒子热运动表现较为明显;不同质子束流密度比时,与冷等离子体计算结果接近。
第四章从弗拉索夫方程和麦克斯韦方程组出发,给出阿尔芬波谱的计算方法。激波加速粒子过程中,考虑二阶费米加速波-波散射效应时,需要知道阿尔芬波谱的具体形式。