阿尔芬波对离子的非共振加热与加速

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日冕加热与太阳风加速问题是太阳物理以及空间物理中长期存在的重大问题之一。随着观测资料的逐渐丰富,经过多年的讨论,大家普遍认为,阿尔芬波在解决这一问题中起到重要作用。具体研究阿尔芬波如何在日冕与太阳风中起作用,主要从两方面入手。一种是宏观尺度的磁流体力学的研究方法,一种是微观尺度的动力学研究方法。本文主要关心在微观尺度上,阿尔芬波如何与离子相互作用,将能量传递给离子,有效加热/加速日冕与太阳风。在微观尺度上,阿尔芬波与离子交换能量的过程又可以分为回旋共振相互作用过程与非共振相互作用过程。本文的重点就是,在不依赖线性回旋共振条件的非共振加热与随机加热的基础上,进一步研究了阿尔芬波与离子交换能量的过程,得到了很多有意义的结果。通过研究新生离子与背景离子在非共振加热中的不同表现,我们发现新生离子能够在加热中获得不可逆的加热。在此基础上,考虑等离子体中离子的电离复合效应,我们计算了阿尔芬波由此非共振加热可以向等离子体提供的加热率,并发现这一加热过程在色球层与过渡区的加热中可能起到重要作用。在非共振加热与随机加热过程的基础上,我们通过试探粒子模拟的手段,进一步讨论了低频阿尔芬波与少数离子相互作用的过程。发现虽然这些低频波不会与离子发生线性回旋共振相互作用,但是通过投射角散射过程,离子仍然可以与波发生有效的能量交换过程。当低频波的振幅与频率满足了随机加热的阈值条件以后,少数离子将被阿尔芬波非共振拾起。在这一过程中,非共振加热过程以及随机加热过程都将起到十分重要的作用。当少数离子被非共振拾起以后,其动力学温度与整体速度将由拾起离子的波的速度决定,与波的振幅以及频率无关。并且不同荷质比的离子在非共振拾起过程中,只是被拾起的速度有区别,在被拾起之后,不同荷质比的离子的热速度以及整体速度都是由阿尔芬波速度决定,与离子的电荷与质量无关。我们以实地观测到的太阳风中磁场扰动的能量水平为依据,将重离子看作示踪离子,利用试探粒子模拟的手段,研究了阿尔芬-离子回旋波对太阳风中氦离子和日冕中O5+离子的随机加热和加速过程。结果发现在实际中,阿尔芬-离子回旋波对重离子的随机加热和加速在太阳风中确实能够发生,模拟的结果与观测到的重离子动力学特征具有高度一致性。根据太阳风中的观测,太阳风中存在占能量绝大多数的低频阿尔芬波以及占能量很少的高频离子回旋波,我们在模拟中使用了类似的波谱,发现在随机加热与加速过程中,与离子回旋频率相近的高频波以及远低于离子回旋频率的低频波都起着重要的作用。其中,高频波通过波粒回旋共振作用将离子运动轨道随机化,低频波进一步将离子的投射角散射,使离子形成球壳状的速度分布。我们的结果说明,离子经过随机加热加速过程被阿尔芬波拾起很有可能是日冕与太阳风中普遍存在的一个过程。我们认为,在日冕中少数离子可能是被阿尔芬-离子回旋波部分拾起,导致少数离子具有强的各向异性速度分布,流速比质子快约几分之一的当地阿尔芬速度;在离太阳较远的太阳风中,少数离子可以被阿尔芬-离子回旋波几乎完全拾起,导致少数离子比质子快约一个当地阿尔芬速度。在实际观测中,阿尔芬波谱能量集中在低频波段,而高频波段的能量较低。这些低频和高频的波在少数离子的拾起过程,可能都具有重要的作用。
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