磁尾静电离子束流-密度漂移不稳定性的数值研究

本文研究了磁尾等离子体片边界层宽频带静电噪声的产生机制.模型等离子体由暖的背景电子、暖的向地球方向的离子束流和较冷的向尾方向的离子束流组成.结果表明,静电离子束流-密度漂移不稳定性可以在比较宽的频率范围内激发,在低频区大传播角方向上增长率最大,在高频区小传播角方向上增长率也比较大。最大增长率的方向取决于离子束流和密度漂移的速度比值.这些结果与磁尾观测到的宽频带静电噪声特征符合一致.      

强磁场中电磁辐射散射的自激效应

电子在磁场中运动,对频率ω_i的外来电磁波的散射,除频率仍为ω_i的部分以外,还发出与回旋辐射相同频率的散射波,这可以称作是自激效应.除了高频极限,该效应对散射截面有相当大的影响.本文对单个电子及冷等离子体情形,给出了强磁场中非相对论性经典电子散射截面的修正计算.讨论了电子散射的谱分布,给出某些典型情形中平衡状态下磁等离子体的Thomsom吸收系数.本文结果可应用于X射线脉冲星谱线形成等问题.      

柱形等离子体辐射场的数值计算和分析

参照金属辐射场的求解方法,在简化条件下计算出柱形等离子体行波传输和驻波传输的辐射图．当改变等离子体密度以及相关参数时,对应的辐射图会相应地发生变化,得出与信号在金属介质中传输相类似的结果．根据理想柱形等离子体表面波的色散关系得到波矢,求出的柱形等离子体辐射方向图与金属介质的辐射方向图相比,会发生较大的变化,因此利用等离子体进行信号传输有一定的价值．     

等离子体片边界层中静电不稳定性产生的波-粒动量交换率

本文介绍了非均匀等离子体片外边缘离子束流-密度梯度漂移不稳定性的二级理论。二级动量交换率的计算表明, 模型等离子体中冷、暖束流离子的场向动量以及暖束流离子的横向动量可以被静电波来减小。这些波是由离子束流-密度梯度漂移不稳定性产生的。这些结果对于理解等离子体片外边缘等离子体的各向同性化和热化是很有用的。      

太阳风中低频离子静电孤波

本文给出在太阳风超声速流动条件下,离子静电孤波的传播特性,结果与Helios1,2卫星观测的静电离子噪声做了比较。离子声波扰动的非线性发展使太阳风等离子体呈规则的小尺度起伏,离子声波在马赫锥外传播,因此理论预言密度起伏不沿着太阳风速度方向,而是在横向方向.      

重力波非线性传播过程中的饱和与破碎

采用水平方向的显式算法与垂直方向的隐式算法相结合的时间分裂法,建立了二维可压缩大气中重力波非线性传播的数值模式.用本模式对小振幅重力波传播过程的模拟结果与线性重力波理论预测的结果吻合很好,从而验证了本模式的正确性.我们用此模式模拟了有限振幅重力波在非线性传播过程中的饱和与破碎,结果表明,(1)翻转出现在饱和之前,但向破碎演化仍需要一段时间,由于非线性波-波和波-流相互作用使得非线性数值模拟的饱和高度(出现时间)高(早)于线性饱和理论预测的结果;(2)重力波在不稳定之前已经有能量向背景场中转移,破碎直接导致非线性波-波相互作用,造成能量向小尺度短波上转移;(3)背景风场的加速方向,形成射流的方向与重力波的水平传播方向一致,表明重力波与背景流的非线性相互作用加剧了背景风剪切和不稳定性的发展.      

非均匀双流等离子体中波传播耦合波动方程

我们利用麦克斯韦方程组和矩方程组,研究了非均匀双流等离子体在电流源作用下,激发波的耦合过程。给出了三模[P_e,P_i,E_o]耦合的普遍方程▽2[P]-[C]·▽[P]+[K2][P]=[D][▽·(ω_p2E_o)]。作为一特例,本文首先研究了均匀、有损失(v≠0)双流等离子体中,等离子体波的耦合过程。指出v≠0,即使在均匀等离子体中,也将产生电子等离子体波和离子等离子体波间耦合。但不出现光学模和等离子体模间耦合。      

束流等离子体系统的离子声孤波

考虑热束流等离子体无碰撞地通过背景等离子体时, 由等离子体系统的流体方程组出发用递减扰动法推导了描写离子声孤波的Kortewegde-Vries方程.在弱束流的条件下, 四种离子声波模式中有两种分别对应慢孤波和快孤波.计算了两种孤波振幅对等离子体参量的依赖关系, 在某些参量配合下有可能得到大振幅的正孤波和负孤波.      

ESF强散射理论初探

本文研究了高频寻常波在均匀等离子体中垂直均匀背景磁场传播时,由于在传播方向上有限区域内存在等幅密度扰动驻波引起共振折反射的理论.认为这种共振反射理论可能解释ESF条件下VHF/UHF雷达强散射和卫星与地面通讯中断等现象.      

三维重力波非线性传播数值模型的一种求解格式

采用交替方向隐格式（ADI）求解三维可压大气中重力波非线性传播的数值模型，经过几个波周期后，重力波波包括估然沿着线性理论射线方 稳定地传播，波包保持着很好的形状，内点和边界保持稳定；水平风与垂直运动的振幅随着高度的增加而增加。这说明ADI格式是模拟三维可压大气中重力波传播的一种可靠的格式，模拟结果表明，在非线性情况下，重力波仍可保持性传播的某些特征，非线性效应有现在对波包括传播速度的修正。     

无碰撞电流片哨声波不稳定性

通过数值求解文献[4]中物理模型A得到的一般形式的色散关系,讨论了无碰撞电流片低频波不稳定性问题.结果表明,哨声波能被无碰撞电流片直接激发.在中性片上(z/di=0),在较宽的波数范围内,斜哨声波是可以传播的,但它基本上是稳定的.在离子惯性区内(z/di<1,电子惯性区外),斜传播的哨声波是不稳定的.在离子惯性区边缘(z/di=1),斜传播的哨声波仍然是不稳定的,增长率更大,不稳定的波频率范围更高.此外,朝向中性片方向传播(kzdi<0)的哨声波比离开中性片方向传播(kzdi>0)的哨声波有更大的增长率.     

Excitation of flare-induced waves in coronal loops and the effects of radiative cooling

EUV imaging observations from several space missions (SOHO/EIT, TRACE, and SDO/AIA) have revealed a presence of propagating intensity disturbances in solar coronal loops. These disturbances are typically interpreted as slow magnetoacoustic waves. However, recent spectroscopic observations with Hinode/EIS of active region loops revealed that the propagating intensity disturbances are associated with intermittent plasma upflows (or jets) at the footpoints which are presumably generated by magnetic reconnection. For this reason, whether these disturbances are waves or periodic flows is still being studied. This study is aimed at understanding the physical properties of observed disturbances by investigating the excitation of waves by hot plasma injections from below and the evolution of flows and wave propagation along the loop. We expand our previous studies based on isothermal 3D MHD models of an active region to a more realistic model that includes full energy equation accounting for the effects of radiative losses. Computations are initialized with an equilibrium state of a model active region using potential (dipole) magnetic field, gravitationally stratified density and temperature obtained from the polytropic equation of state. We model an impulsive injection of hot plasma into the steady plasma outflow along the loops of different temperatures, warm (～1 MK) and hot (～6 MK). The simulations show that hot jets launched at the coronal base excite slow magnetoacoustic waves that propagate to high altitudes along the loops, while the injected hot flows decelerate rapidly with heights. Our results support that propagating disturbances observed in EUV are mainly the wave features. We also find that the effect of radiative cooling on the damping of slow-mode waves in 1–6 MK coronal loops is small, in agreement with the previous conclusion based on 1D MHD models.     

重力波波包在传播过程中的参量激发

采用数值方法模拟了重力波波包在向上传播过程中的参量激发.结果表明,通过共振相互作用,两个次级波可由噪声水平发展到相当的强度,并拥有可观的空间范围,但两者获得能量的大小不同,说明在一个共振组中,主波的能量传递具有参数选择性.主波包只将部分能量用来激发次级波,在其能量衰减的同时,波包形状也发生强烈的畸变.波包之间的能量传递具有明显的局地性.由于波包能量交换不再具有可逆性,相互作用的特征时间具有特别重要的意义,它代表绝大多数能量传递发生的时间范围.在特征时间之外,波包之间净的能量传递已相当弱.由中间层向低热层传播的重力波,衰变过程和传播过程可以同步完成.共振相互作用不仅能够使波能量在谱空间扩散,而且能使波能量在物理空间扩展.      

太阳风质子束流的演化

太阳神飞船观测表明，太阳风高速流中质子束分量相对于核分量的密度随日心距离增加而增加．提出解释这一观测现象的机理并给出二维数值模拟结果．由于阿尔芬波速随日心距离增加而减少，第二支左旋波将与更多的质子共振，把部分原来属于核分布的质子拉到束分布中来．用数值模拟方程方法求解回旋波共振导致的准线性扩散方程，数值结果与观测结果相符合．     

多离子空间等离子体中快磁声波与粒子的回旋共振特性

快磁声波是空间等离子体中一种接近垂直传播的右旋极化电磁波,能够在等离子体层内外传播.快磁声波与带电粒子的回旋共振相互作用能够导致高能电子随机加速和投掷角扩散、能量质子投掷角扩散等,从而影响辐射带高能带电粒子的动态过程.分别基于完整的色散关系和高密度近似的色散关系,在不同空间等离子体条件下研究多离子空间等离子体中不同传播角的快磁声波色散曲线,并计算了快磁声波与H+,He+和O+离子的最小共振能量.结果表明,当传播角较小时,采用高密度近似与采用完整色散关系计算的离子最小共振能量没有太大差别.在中低密度中强磁场空间等离子体中,传播角≥ 88°时高密度近似色散关系会带来很大的误差,因此应利用完整色散关系计算最小共振能量.      

Study of backward propagating Langmuir waves with PIC simulation

The conversion of Langmuir waves into electromagnetic radiations is an important mechanism of solar type III bursts. Langmuir waves can be easily excited by electron beam instability, and they can be converted into backward propagating Langmuir waves by wave–wave interaction. Generally, the backward propagating Langmuir waves are very important for the second harmonic emission of solar type III bursts. In this work, we pay particular attention to the mechanism of the backward propagating Langmuir waves by particle in cell (PIC) simulations. It is confirmed that the ions play a key role in exiting the backward propagating Langmuir waves. Moreover, the electron beam can hardly generated the backward propagating Langmuir waves directly, but may directly amplify the second harmonic Langmuir waves.     

Mirror structures in the magnetosheath: 3D structures on plane waves

Mirror mode oscillations are often observed in the magnetosheath. According to linear, kinetic theory, these waves do not propagate in the plasma rest frame and posses a linear polarisation. However, observations of these waves show them to exhibit a non-planar polarisation. Using data collected by the AMPTE-UKS satellite on 21^st September, 1984, this paper investigates the nature of these waves using the variance analysis technique to determine the polarisation and maximum/minimum variance directions. The results show that the individual oscillations do indeed posses non-planar characteristics and the variation in the maximum/minimum variance directions indicates that these oscillations are in fact 3D structures propagating with the plasma rather than a 2D plane wave.     

Injection mechanism for cosmic ray acceleration

The quasilinear theory of MHD waves excitation by cosmic rays accelerated at a front of supernova shock has been constructed. It is shown that the energetic particles excite the waves propagating from the shock front, the intensity and the spectrum of these waves is obtained. The role of nonlinear Landau damping in the formation of such spectrum has been analysed. The diffusive scattering length of the high energy particles in the preshock region has been calculated and it is shown with the help of these formulae that the effective Fermi acceleration at the shock front is possible upto the values of the relativistic factor = 10⁴ - 10⁵. The injection mechanism for cosmic rays acceleration has been proposed. It is based on stochastic Fermi acceleration of the thermal plasma by MHD waves excited in the preshock region. Different possibilities for wave phase velocity dispersion needed for stochastic Fermi acceleration are analysed, those are the excitation of the oblique magnetosonic waves as well as the excitation of parallel Alfven waves propagating in opposite directions. The distribution function of the suprathermal particles accelerated by MHD waves is obtained, the cosmic rays density as well as the lower boundary of their energy spectrum realised in the proposed mechanism are also calculated.     

背景风场对中尺度受导重力波的影响

采用重力波的大气分层全波解法，计算得出了强逆风场作用下以及无风条件下中尺度重力波受导波模的色散曲线和衰减距离曲线，结果表明，强逆风场可以使得各中尺度受导波模衰减距离明显变长，并导致不同尺度重力波的衰减距离出现峰值分布，通过分析美国MillstoneHill台站和武汉电离层观象中的TID实测结果证实了这些风场支持的远距离传播波模的存在。     

内重力波传播的3维传输函数模式研究

在考虑背景风场及大气耗散的条件下,建立了3维内重力波传输函数数值模式.分析了300 km高度3维传输函数在频率波数域的特性,并以近地面单位脉冲点源为激发源,得到了内重力波在3维空间中的时空分布.讨论了不同时空尺度地面方波源激发的内重力波在电离层高度的能量分布特征.结果表明,(1)对内重力波而言,背景大气相当于一个带通滤波器,只有波动周期和波长分别在15～30 min和200～400 km之间的重力波扰动最容易上传到300km高度;(2)在背景风场的作用下水平面上以同心圆扩散的波阵面以及垂直方向上成漏斗状的波阵面发生了变形,并且逆风方向比顺风方向更有利于声重力波由对流层向电离层高度传播;(3)300km高度对时间尺度和空间尺度分别在20～30 min和150～250 km之间的地面方波源响应的总能量最强.