关于冲击波在环形磁场中的传播

本文求解了点源爆炸波在环形磁场中传播的非自型问题。以耀斑引起的击波传播为例讨论了解的应用。从中可以看到,磁场扰动呈U形,主要发生在0.5Re—1.0Re的击波区域;行星际磁场的存在使击波到达1AU的时间延长了几个小时;击波必须具有大于磁截止能量E_M=λ₁S2/4π J₀R时(符号意义见内容)才有可能传播到1AU以远的地方,日冕磁场结构对耀斑击波进入行星际空间的传播有重要作用。      

太阳风质子的波能串级-回旋共振加热机制的初级模型

空间飞船Helios 1和2的观测表明, 由0.3AU, 至1AU, 质子的磁矩T_p⊥/B随日心距离增加而增加, 而纵向绝热不变量T_p∥B2/N_P2则随日心距离增加而下降。这说明质子在垂直于行星际磁场方向上受到加热, 而在平行磁场的方向上受到冷却。以往没有理论能满意地解释上述现象, 本文在Alfvén脉动串级理论的基础上利用回旋波的准线性理论分析研究了串级能量转化为太阳风质子热能的机制, 解释了上述观测事实。      

太阳风里高能电子自发辐射的Langmuir波

本文讨论太阳风里太阳耀班高能电子产生的Langmuir波的自发辐射。理论估计得出,在时间尺度γ_km-1内,Langmuir波自发辐射的电场幅值约为10-3-10-2mV/m(依赖于高能电子速度分布的具体形式),这里γ_km为在波数k处的峰增长率。此理论结果比飞船在太阳风里的观测值低2-3个数量级。因此认为,太阳风里自发辐射产生的Langmuir波辐射是可以忽略的。      

太阳风中动力论Alfven波的湍流谱(a)朗道衰减

提出一个太阳风中Alfven脉动湍流的新模式,动力论Alfven波是Alfven波和离子声波非解耦的新波模。由太阳向外传播的各种波长的动力Alfven波的非线性相互作用推导出动力论Alfven脉动湍流功率谱P_k,在Alfven半径以外,P_k∝k-3/2,而在Alfven半径以内,由太阳附近的P_k∝k-1变化成P_k∝k-3/2动力论Alfven脉动在Alfven半径以内完成朗道衰减。新模式克服了以前理论模式遇到的困难。      

太阳风局部加速的磁流体力学过渡特征

本文讨论了轴对称磁力线管中太阳风从亚声速和亚阿尔文速度加速到超声速和超阿尔文速度的过程。考虑到流动和场的二维效应以后,除去临界声速线M2=1以外,还有临界阿尔文速线M_A2=1和M2+M_A2=1。这时,磁力线管中存在三次过渡,使磁流体力学方程组的类型从椭圆型变为双曲型,再变为椭圆型,最后变为双曲型。由于日冕中的典型声速和阿尔文速度具有相同的量级,而且人们对磁力线管的急剧膨胀很有兴趣,这就需要讨论二维磁流体力学方程组的自(冫合)解。太阳风的局部流管中有可能出现多次过渡的流动特征。      

激波在行星际介质中的能量耗散

导出激波下游介质相对上游介质能流通量增量公式,并由HeliosA,B飞船太阳风观测资料得出不同流速太阳风流中各参量随日心距的幂律变化。以此作为背景值分别计算出磁能、内能、动能和总能在不同日心距离处的能量耗散率。结果指出激波后介质以动能增加为主,内能次之,磁能最少;总能耗率在近日处较大,但下降较快。从0.3-1.0AU,不同强度激波总能耗随初始Alfvén激波数A₁₀增大而增大,对A₁₀从2.0-10.0的计算结果与观测值一致。      

0.3AU和1AU之间高速太阳风的加速和加热机制

本文应用Helios飞船在0.3AU和1AU之间的高速太阳风质子和磁流涨落观测, 同时考察了包括各种可能的加速和加热效应的高速太阳风动量方程和质子能量方程.分析表明在碰撞为主的等离子体条件下导出的经典粘性系数表式明显地不适用于太阳风等离子体;在0.3AU和1AU之间主要加速力是热压梯度力和Alfven波压力, 背景磁场的洛伦兹力可忽略;在减速方面, 除了太阳重力外, 还需存在其它减速机制, 才能使太阳风动量平衡.看来唯有粘性能同时满足减速和加热这两种要求.      

极端太阳风条件下的磁层顶位形

基于极端太阳风条件下的三维MHD数值模拟数据, 构建了一种极端太阳风条件下的三维非对称磁层顶位形模型. 所提出的模型考虑了行星际南向磁场(IMF) B_z日下点距离侵蚀的饱和效应, 太阳风动压B_d对磁层顶张角影响的饱和效应, 赤道面、昼夜子午面磁层顶的不对称性以及极尖区的内凹结构和内凹中心的移动, 并利用Levenberg-Marquart多参量非线性拟合方法拟合了模型参数. 数值模拟研究表明, 在极端太阳风条件下, 随B_d增大, 磁层顶日下点距离减小, 磁层顶磁尾张角几乎不变; 随南向(IMF)B_z增大, 磁层顶日下点距离略有减小, 磁层顶磁尾张角减小, 极尖区内凹中心向低纬移动. 通过对2010年8月1日太阳风暴事件验证发现, 本文所建立的模型能够描述极端太阳风条件下的三维磁层顶位形.      

离子温度对磁化等离子体中非线性静电波的影响

本文讨论了无碰撞磁化低β等离子体中离子温度对非线性静电波的影响。结果表明,在参量α≡T_i/T_e≠0条件下,存在着三种非线性静电波(T_i和T_e分别为离子和电子的热能):在波速ν_p>(1+α)(1/2)c_s情况下存在着非线性离子回旋周期波;在(1+α)(1/2)c_scosθp<(1+α)(1/2)c_s情况下存在着离子声孤立波;在v_p<(1+α)(1/2)c_scosθ情况下存在着非线性离子声周期波。当参量α增加时,孤立波的波幅(最大电位)减小,而另外两种非线性周期波的电位幅度都几乎保持不变。      

太阳风状态参数的变化对地球磁鞘中磁场起伏特性的影响

本文利用MHD激波跳跃条件的精确解,具体讨论了行星际背景太阳风状态参数Alfvén马赫数M₁、等离子体β₁参数和磁场角θ₁的变化对地球磁鞘区中磁场起伏特性及其分布的影响.主要结果是:马赫数M₁的变化主要控制磁场起伏特性:放大倍数、相对起伏和各向异性程度的水准高低.磁场角θ₁的变化控制磁场起伏的空间分布特性.等离子体β₁参数的变化,不引起磁场起伏特性的明显变化(对于实际经常发生的情况M₁ 8而言).M₁、θ₁是强控制参数,而β₁是弱控制参数;磁鞘区磁场起伏对太阳风状态参数的变化响应呈现明显的晨-昏不对称性(行星际磁场位于黄道面时),响应主要发生在晨侧.晨侧的磁场起伏(或湍动)相当活跃,而昏侧相当稳定;磁鞘中不同地点磁场起伏特性对太阳风状态参数M₁、β₁的变化响应有大致相同的形式,而对其磁场角度θ₁的变化却有迥然不同的形式.      

黄道面内行星际激波相互碰撞作用过程研究—能量效应

本文用两维半MHD数值模型,数值模拟研究了两邻近扰动源所产生的激波在行星际空间黄道面内不同能量时的相互碰撞过程。在内边界(18R_s)两扰动中心的间距取为36°。结果表明:两弱激波(速度在500km/s左右以下)不会产生汇合,而是各自独立地传播;两中等强度激波(速度在1000km/s左右)将发生汇合,但在IAU尚可分辨;两强激波(速度在2000km/s以上)则在1AU以内已发生汇合,汇合后形成一个新激波,其磁场结构与单激波明显不同。激波能量越大,两激波汇合的越快。     

2 AU以内的“渐进型”太阳高能粒子事件模拟

太阳高能粒子（Solar Energetic Particle,SEP）事件是影响地球空间以及深空辐射环境的主要因素之一。“渐进型”太阳高能粒子事件中的高能粒子主要来自于日冕物质抛射（Coronal Mass Ejection,CME）所驱动的激波扩散加速（Diffusive Shock Acceleration,DSA）过程。CME驱动的激波在行星际的传播过程中,其结构不断演化,进而影响到高能粒子的加速过程。本文利用二维太阳高能粒子加速和传播模型,对发生于2014年4月18日的太阳高能粒子事件实例进行了数值模拟。模型考察了黄道面上2 AU的距离以内包含地球所在位置的4个不同点,分别计算了每个点上高能粒子的通量。数值模拟的结果表明：黄道面内不同位置的观察点,与激波波前的磁力线连接不同,从而导致观察点处高能粒子的通量有着显著的差异。该模型的计算结果可以为深空探测计划开展辐射环境研究提供必要的输入。     

赤道反向电射流中不均匀性的对流放大特性及对某些观测特性的解释

本文分析了反向赤道电射流条件下的不均匀性的对流放大特性。根据电射流不稳定性的线性理论,对一个分层均匀的电射流的模式的数值计算表明:在反向电射流条件下,电射流不均匀性有如下的特性:在波的传播过程中,在上电射流区内,波矢向下旋转,在下电射流区内,波矢向上旋转;在驱动电场E_D数值相同的情况下,反向电射流条件下的射线路径积分增长率r比正常电射流情况的要小得多。这是由于波的群速度方向是向下的,而电子密度梯度起稳定化作用。对于电子密度的特征长度L_N=6km和│E_D│=0.8mV/m,波长λ=10m,高度h≥105km,有r<20。在这一高度范围,波可能是不饱和的,增大L_N,使波在h=105km饱和的临界电场│E_D│值减小。上述计算结果可解释某些在反向电射流条件下,在Addis-Ababa观测到的10m波长雷达回波的特性。      

Some characteristics of propagation of flare- or CME-associated interplanetary shock waves

Many interplanetary shock waves have a fast mode MHD wave Mach number between one and two and the ambient solar wind plasma and magnetic field are known to fluctuate. Therefore a weak, fast, MHD interplanetary shock wave propagating into a fluctuating solar wind region or into a solar wind stream will be expected to vary its strength.It is possible that an interplanetary shock wave, upon entering such a region will weaken its strength and degenerate into a fast-mode MHD wave. It is even possible that the shock may dissipate and disappear.A model for the propagation of a solar flare - or CME (Coronal Mass Ejections) - associated interplanetary shock wave is given. A physical mechanism is described to calculate the probability that a weak shock which enters a turbulent solar wind region will degenerate into a MHD wave. That is, the shock would disappear as an entropy-generate entity. This model also suggests that most interplanetary shock waves cannot propagate continuously with a smooth shock surface. It is suggested that the surface of an interplanetary shock will be highly distorted and that parts of the shock surface can degenerate into MHD waves or even disappear during its global propagation through interplanetary space. A few observations to support this model will be briefly described.Finally, this model of shock propagation also applies to corotating shocks. As corotating shocks propagate into fluctuating ambient solar wind regions, shocks may degenerate into waves or disappear.     

关于太阳风中Alfvén脉动粘性衰减的讨论

本文讨论了被认为是可能存在的Alfvén脉动的粘性衰减效应.分析表明,Alfvén脉动的粘性衰减应是各向异性的,它正比于平行于平均磁场的脉动分量.若平行于与垂直于平均磁场方向的脉动能量之比为一常数,波长大于碰撞自由程的波动经历的粘性衰减都集中在20R_⊙以内.在0.3AU至1AU,各频率的Alfvén脉动将不经历显著的由库仑碰撞决定的粘性衰减.粘性衰减机制不能解释观测到的谱的径向变化.如果在接近太阳的空间,Alfvén脉动确有平行分量,那么它的粘性衰减将会对快发散流管中的太阳风有加速作用.如果在接近太阳的区域,Alfvén脉动的平行分量小得可以忽略的话,Alfvén脉动将不经受任何经典粘性衰减.      

太阳耀斑行星际激波传播中的追赶效应

本文采用二维MHD模型对具有不同间隔时间的2个耀斑先后爆发,模拟研究它们所对应的行星际激波间的追赶效应,并和单个耀斑所产生的行星际激波相比较。研究结果表明,间隔时间一天以内的2个耀斑激波在行星际空间向外传播时,激波之间有明显的相互作用发生,间隔时间的长短决定了激波传播过程中追赶效应的强弱。根据数值试验结果,追赶效应可归纳为4类,(1)强追赶效应,(2)中等追赶效应,(3)弱追赶效应,(4)无追赶效应。属于强追赶效应的2个耀斑激波传播至1AU处,产生的行星际扰动非常相似于单个耀斑激波的扰动。     

关于行星际磁场螺旋扇形过渡区稳定性的分析

本文利用四层模式,讨论了ME型行星际磁场螺旋扇形过渡区的稳定性。结果表明:(1)ME型过渡区中可以激发三种大尺度波动,且三种波动都存在低频截止;(2)随着波数k增大,不稳定性的增长率都有上升的趋势,但其中A型波动的增长率存在一个极大值和一个极小值;(3)当k与扇形区中太阳风速度V_q呈平行或反平行时,波动最易被激发;随着k与V_q之间夹角变大,截止波长逐渐向短波段移动;当k与V_q相垂直时,波动则不能被激发;(4)当k与V_q夹角呈75°时,可以激发波长为5×104km、相速为340 km/s的波动,这与Voyager 1飞船在磁层顶处的观测结果相一致。由此推断,螺旋扇形过渡区中激发的波动可能是导致磁层顶K-H不稳定性的一种扰动源。