阿尔文波谱参量不稳定性及离子加热的数值模拟研究

发布时间：2020-06-06 09:09

【摘要】：作为一颗行星,地球,人类唯一的家园,已经围绕着太阳在其轨道上持续运行了约46亿年。太阳居于太阳系的中心是一个巨大的炙热的等离子体球,并且在其核心发生着剧烈的核聚变反应同时释放出大量的能量进入行星际空间。日冕是太阳大气的最外面一层,其温度可以被加热到百万度量级。由于日冕如此的高温,日冕和行星际空间之间的巨大压力差能够驱使日冕吹出大量的伴随着磁场的电离的太阳等离子体,这被称之为太阳风。空间观测中发现,一支大尺度的低频磁场扰动波模普遍存在于太阳风中。而且,上述这支低频磁场扰动波模称之为阿尔文波,它被看作为解释日冕加热和太阳风加速的可能候选者。这篇博士论文主要是关于,阿尔文非相干波谱的参量不稳定性以及在参量不稳定性演化过程中离子的加热。(1)虽然阿尔文波是理想不可压缩磁流体力学(MHD)方程组的精确解,但是它依然可以发生3种参量不稳定性,分别称作:衰变不稳定性,拍不稳定性,调制不稳定性。参量不稳定性涉及到非线性波-波相互作用,能够实现在不同波模之间传输能量,这给阿尔文波提供了一种耗散途径。在本篇博士论文的第一个工作中,使用一维(1-D)混合模拟模型在低beta的电子-质子等离子体系统中,我们研究了阿尔文非相干波谱的参量不稳定性并发现参量不稳定性的演化呈现两个阶段。在第1个阶段中,阿尔文泵波谱发生包络调制并产生出一系列低频密度模,随后这些新产生的密度模与阿尔文泵波谱发生耦合进一步产生新的高频磁场模。因此,更多的具有宽带谱结构的密度模和磁场模被激发出来。在第2个阶段中,来自于初始阿尔文泵波谱中的每一支单色阿尔文波分别地发生参量衰变。在阿尔文泵波谱参量不稳定性的饱和阶段,质子束流沿着背景磁场B。方向产生。(2)太阳日冕和太阳风中的重离子选择加热是一个长期以来的热点话题。在本篇博士论文的第二个工作中,同样使用1-D混合模拟模型在低beta的电子-质子-氦离子等离子体系统中,我们研究了平行传播的阿尔文非相干波谱的参量不稳定性过程中氦离子的加热。与前面介绍的第一个工作的结果相似,这里的参量不稳定性的演化(含有氦离子)也经历了两个阶段,分别对应于氦离子加热的两个阶段。在两个演化阶段中,氦离子在垂直于B0方向上均被有效加热,这来自于氦离子与高频磁场模的回旋共振。同时,氦离子与密度模之间的朗道共振引起氦离子平行方向上的加热。在整个参量不稳定性演化过程中,质子只有平行方向被加热,垂直方向没有加热。(3)为了进一步研究初始斜传阿尔文非相干波谱的参量不稳定性过程中氦离子的加热,在本篇博士论文的第三个工作中,我们将上面第二个工作推广到2-D混合模拟模型中,研究了离子加热和波谱(密度波谱和磁场波谱由参量不稳定性激发)演化之间的关系,并发现波-波耦合以及波-粒相互作用在离子加热中起到了关键作用。小斜传角度的初始阿尔文泵波谱(例如:θk0B0=15°,表示初始阿尔文泵波的波矢k0和背景磁场B。之间的倾斜角),比单色阿尔文泵波以及大斜传角度的阿尔文泵波谱,可以更有效地在垂直方向上加热氦离子。同时,在平行方向上质子和氦离子也都可以被小斜传角度的阿尔文泵波谱更有效地加热。此外,离子(质子、氦离子)束流在平行于B0方向上产生,不依赖于阿尔文泵波的初始斜传角度。离子束流的产生主要来自于离子和参量不稳定性激发的离子声波(ion acoustic wave,IAW)之间的朗道共振(在参量不稳定性演化后期阶段)。然而,氦离子垂直方向加热主要来自于氦离子和高频阿尔文波(Alfvenwave,AW)之间的回旋共振,这些高频AW模来自于参量不稳定性演化早期和后期两个阶段中的非线性波-波相互作用。第三个工作的研究还没有完全完成,目前的结果还需要进一步的改进。
【图文】：

磁场分布,猎户座,旋臂,太阳

第一章绪论逡逑１．１空间物理环境介绍逡逑１．１．１太阳系的中心天体——太阳逡逑银河系中大约有一千亿颗恒星，太阳是其中的一颗光谱型为Ｇ２Ｖ的普通主逡逑序星，其位于银河系中猎户座旋臂上（如图１．１．丨．１），距离银河系中心约２．６万逡逑光年Ｕ，２］。然而，太阳是太阳系的中心天体，是日地行星系统中唯一的一颗恒星，逡逑也是地球上生命所需能量的重要来源。太阳的直径是地球的１０９倍，质量是地球逡逑的３３万倍，由７３％的氢，２５％的氦以及其它重元素（氧、碳、氖、铁）组成，逡逑其占据了太阳系总质量的９９．８６％［３－５］。因此，太阳的物理结构，磁场分布以及运逡逑动状态将决定整个太阳系的演化，从而影响我们人类所居住的地球。了解和研宄逡逑太阳以及日地空间环境，有助于我们预报和预防空间天气灾害，改善人类生存环逡逑境，以及推动人类未来的行星际航行和宇宙深空探测。逡逑

太阳内部,来源,图片

图１．１．１．２太阳内部结构（图片来源：逡逑ｈｔｔｐｓ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．Ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｆｉｌｅ：Ｓｕｎ邋ｐｏｓｔｅｒ．ｓｖｇ邋）逡逑日核区域从太阳中心一直延伸到约０．２５邋＆处（。表示太阳半径）。大约在４６逡逑亿年前，银河系中一团巨型分子云通过引力坍缩形成一簇恒星群，太阳就诞生在逡逑其中［３，６］。现在的日核区域具有高温（约ｌ５，７00，000Ｋ）、高密（约１５０ｇ／ｃｍ３）、高逡逑压（约３０００亿个大气压），其中进行着剧烈的核聚变反应，每秒中将约６亿吨氢逡逑燃烧转换成约５．９６亿吨的氦，并释放出相当于４００百万吨氢的能量（五＝ｗｃ２）逡逑［３－７］。日核区域的核聚变反应为太阳提供了能量来源，当这些能量向外输运时太逡逑阳的其他部分会被加热，最后由光球层以光波的形式逃逸或者转化成太阳大气等逡逑离子体中粒子的动能［６，８］。逡逑辐射区域大约是从０．２５邋＾延伸到０．７，这个区域包含了各种电磁辐射和粒逡逑子流。然而差旋层（ｔａｃｈｏｄｉｎｅ）是位于辐射区域和对流区域之间的过渡层，其层逡逑厚度约有０．０４。。现在有一种假说认为，由于辐射区域和对流区域之间存在旋转逡逑速度差，，在差旋层内可以产生大尺度的太阳磁场ｆ９，１Ｇ］。继续往外从大约０．７＆延逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P353

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