等離子體動(dòng)力學(xué)及其在太陽(yáng)物理中的應(yīng)用

前言

出版本書的動(dòng)機(jī)之一是，本人在2006年11月份參加海峽兩岸第七屆空間物理研討會(huì)時(shí)，國(guó)際知名等離子體物理學(xué)者、美國(guó)加州大學(xué)陳騮教授告知，為了解決人類能源短缺的問(wèn)題，全球熱核聚變領(lǐng)域正面臨重大的發(fā)展機(jī)遇，包括中國(guó)和歐、美、日等多國(guó)合作的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）計(jì)劃已于近期立項(xiàng)。我國(guó)教委為了配合該項(xiàng)目的研究，將大力推動(dòng)各高校的等離子體物理基礎(chǔ)教育?？紤]到自己早年曾在熱核聚變領(lǐng)域完成碩士論文，之后轉(zhuǎn)入太陽(yáng)物理領(lǐng)域工作二十余年，深切體會(huì)到等離子體物理在太陽(yáng)物理研究中的重要性；近年來(lái)，作者在南京大學(xué)天文系開設(shè)了等離子體動(dòng)力學(xué)的研究生課程，感到有必要結(jié)合自己的工作以及講課中的體會(huì)和收獲，為我國(guó)太陽(yáng)物理研究人員和研究生編寫一本關(guān)于等離子體動(dòng)力學(xué)理論及其在太陽(yáng)物理中的應(yīng)用的參考書。促使自己寫作本書的另一原因是，在太陽(yáng)物理現(xiàn)有的觀測(cè)條件下，空間和地面望遠(yuǎn)鏡的分辨能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到等離子體特征尺度即德拜長(zhǎng)度的量級(jí)，因而太陽(yáng)物理研究主要集中在宏觀的磁流體力學(xué)的尺度，相應(yīng)的理論研究大多不涉及微觀帶電粒子的基本物理過(guò)程，而是更加側(cè)重于理論與大尺度觀測(cè)現(xiàn)象的比較和解釋。值得注意的是，近年來(lái)太陽(yáng)物理的觀測(cè)（特別是空間衛(wèi)星的觀測(cè)）得到高速的發(fā)展，很多太陽(yáng)物理學(xué)者逐漸認(rèn)識(shí)到，研究等離子體物理微觀過(guò)程將成為太陽(yáng)物理深入發(fā)展的必由之路。近年來(lái)，除了傳統(tǒng)的磁流體力學(xué)數(shù)值模擬之外，對(duì)微觀等離子體過(guò)程的粒子模擬和弗拉索夫模擬也已得到太陽(yáng)物理學(xué)者的廣泛重視。必須指出，盡管磁流體力學(xué)的方程來(lái)源于等離子體物理的基本方程（在本書中將對(duì)兩者的關(guān)系作詳細(xì)介紹），但是兩者已經(jīng)形成了各自獨(dú)立的理論體系，并具有完全不同的時(shí)空尺度和研究對(duì)象。對(duì)此，在等離子體物理學(xué)科中已有明確的界定*。

內(nèi)容概要

本書將基本理論和天文應(yīng)用相結(jié)合，根據(jù)太陽(yáng)物理深入發(fā)展的需求，側(cè)重介紹了等離子體動(dòng)力學(xué)理論框架及其與磁流體力學(xué)基本方程的關(guān)系。系統(tǒng)推導(dǎo)了等離子體動(dòng)力學(xué)的線性理論(包括色散關(guān)系和微觀不穩(wěn)定性)及其在太陽(yáng)射電物理中的應(yīng)用實(shí)例。并通過(guò)若干個(gè)例，列舉了非線性等離子體動(dòng)力學(xué)理論的基本類型及其在太陽(yáng)物理中的應(yīng)用。最后對(duì)等離子體動(dòng)力學(xué)所涉及的幾個(gè)重要問(wèn)題進(jìn)行了專題討論。為了便于研究生學(xué)習(xí)和掌握本書的內(nèi)容，各章均設(shè)置了一些習(xí)題。    本書可作為太陽(yáng)物理，特別是太陽(yáng)射電物理的研究生和研究人員的入門書和參考書。

作者簡(jiǎn)介

黃光力　1949年出生于南京，1982年畢業(yè)于山東大學(xué)物理系，1985年于核工業(yè)西南物理研究院獲等離子體物理碩士，1990年于中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)獲天體物理博士。現(xiàn)任中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)“太陽(yáng)活動(dòng)”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的首席研究員和博士生導(dǎo)師。作者長(zhǎng)期從事太陽(yáng)射電和天體等離子體物理領(lǐng)域研究，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表了上百篇論文；并在南京大學(xué)天文系承擔(dān)等離子體動(dòng)力學(xué)的研究生課程，培養(yǎng)了多名博士和碩士研究生。于1988年獲美國(guó)史密松天文臺(tái)博士前基金、1994年獲法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心一王寬誠(chéng)博士后基金、2000年任日本文部省訪問(wèn)教授。主持完成“九五”和“十五”國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目各一項(xiàng)、面上基金多項(xiàng)。曾獲1993年中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)二等獎(jiǎng)和2000年北京市科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)各一項(xiàng)。

書籍目錄

第1章　前言  參考文獻(xiàn)第2章　等離子體的定義  2.1　德拜長(zhǎng)度和準(zhǔn)中性條件  2.2　德拜球中的粒子數(shù)條件  2.3　中性粒子和帶電粒子的碰撞頻率  本章習(xí)題  參考文獻(xiàn)第3章　等離子體動(dòng)力學(xué)的基本方程    3.1　引言    3.2　Klimontovich—Dupree方程    3.3　無(wú)碰撞的弗拉索夫方程    3.4　玻爾茲曼方程（短程碰撞）    3.5　?？藸?普朗克方程（庫(kù)侖碰撞）    本章習(xí)題    參考文獻(xiàn)第4章　磁流體力學(xué)方程的推導(dǎo)  4.1　動(dòng)力學(xué)方程的矩方程  4.2　雙（多）流體方程    4.2.1　連續(xù)性方程    4.2.2　運(yùn)動(dòng)方程    4.2.3　能量輸運(yùn)方程    4.2.4　雙（多）流體方程組    4.2.5　碰撞項(xiàng)的性質(zhì)  4.3　磁流體力學(xué)方程    4.3.1　磁流體的質(zhì)量密度、平均速度、電荷密度和電流密度    4.3.2　磁流體連續(xù)性方程    4.3.3　磁流體運(yùn)動(dòng)方程    4.3.4　廣義歐姆定律    4.3.5　磁流體力學(xué)方程    4.3.6　簡(jiǎn)化的磁流體力學(xué)方程    本章習(xí)題    參考文獻(xiàn)第5章  “冷”等離子體色散方程  5.1　雙流體方程的線性化  5.2　推導(dǎo)色散關(guān)系所必需的三個(gè)張量    5.2.1　電導(dǎo)率張量    5.2.2　介電張量    5.2.3　色散張量  5.3　“冷”等離子體色散方程    5.3.1　一般形式    5.3.2　兩個(gè)重要的特例    5.3.3　幾種常見的“冷”等離子體波  5.4　“冷”等離子體色散曲線    5.4.1　幾種典型的色散曲線    5.4.2　截止頻率和共振頻率    5.4.3　背景等離子體參數(shù)的影響    本章習(xí)題    參考文獻(xiàn)第6章  等離子體動(dòng)力學(xué)色散方程  6.1　未擾軌道積分    6.1.1　弗拉索夫方程的線性解    6.1.2　未擾軌道的選擇  6.2　電導(dǎo)率張量    6.2.1　電導(dǎo)率張量的一般形式    6.2.2　電導(dǎo)率張量的各個(gè)分量    6.2.3　電導(dǎo)率張量的復(fù)對(duì)稱性  6.3　介電張量和色散張量  本章習(xí)題  參考文獻(xiàn)第7章　共振（相干）不穩(wěn)定性　7.1  電子回旋脈澤不穩(wěn)定性——共振不穩(wěn)定性    7.1.1　不穩(wěn)定性增長(zhǎng)率的近似表達(dá)式    7.1.2　介電張量的反Hermitian分量    7.1.3  “冷”等離子體色散張量的伴隨張量　……第8章　反應(yīng)（非相干）不穩(wěn)定性第9章　非線性等離子體物理第10章　若干問(wèn)題的討論后記

章節(jié)摘錄

插圖：第2章 等離子體的定義如前言所述，物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)的一個(gè)必要條件是具有一定的電離度，然而，并非所有包含一定數(shù)量的自由帶電粒子的物質(zhì)都可稱為等離子體。一般來(lái)說(shuō)，物質(zhì)的電離度越高，帶電粒子的集體行為越有可能決定或主導(dǎo)該物質(zhì)的基本特性，或者說(shuō)該物質(zhì)越有可能滿足等離子體狀態(tài)的基本要求。因此，我們首先要對(duì)等離子體給出一個(gè)明確的定量的標(biāo)準(zhǔn)，這也是在本書中關(guān)于等離子體物理或等離子體動(dòng)力學(xué)的一個(gè)最基本的概念。當(dāng)然，除了等離子體本身的定義之外，大部分的物理概念都是繼承于更基礎(chǔ)的理論，包括電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)，本書讀者應(yīng)已掌握。還有一部分是在等離子體物理的發(fā)展過(guò)程中形成的概念，將在本書各章中一一介紹。本章中的物理量的量綱采用高斯單位制。2.1 德拜長(zhǎng)度和準(zhǔn)中性條件考慮等離子體中包含一批帶正電荷的粒子（以質(zhì)子為例）和帶負(fù)電荷的粒子（以電子為例），這里暫不考慮中性粒子的作用。在帶電粒子的無(wú)規(guī)的熱運(yùn)動(dòng)中，相反電荷的帶電粒子可能產(chǎn)生分離，從而形成局部的電場(chǎng)；顯然，這一電場(chǎng)又會(huì)反過(guò)來(lái)阻止相反電荷的帶電粒子的分離運(yùn)動(dòng)；最終，由熱運(yùn)動(dòng)造成的電荷分離和局部電場(chǎng)阻止電荷分離的兩種作用達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

后記

本書是作者多年從事天體等離子體物理和太陽(yáng)物理的學(xué)習(xí)和研究工作的總結(jié)。首先，如同一般的理論參考書籍那樣，作者力圖對(duì)等離子體動(dòng)力學(xué)的基本規(guī)律和概念給出系統(tǒng)的介紹。其中包含了作者對(duì)這些基本規(guī)律和概念的理解以及本人使用的推導(dǎo)方法和技巧，特別是對(duì)一些作者認(rèn)為十分重要然而被很多教科書忽略的若干問(wèn)題，本書第10章進(jìn)行了一系列專題的討論，希望讀者能對(duì)任何教科書都不要滿足于照本宣讀的學(xué)習(xí)方式，而是必須經(jīng)過(guò)自己的消化、理解和反復(fù)質(zhì)疑的過(guò)程，對(duì)任何理論建立自己的一個(gè)完整的認(rèn)知體系。需要指出的是：本書的等離子體動(dòng)力學(xué)的基本理論及線性色散方程部分（包括方法和結(jié)論）與其他參數(shù)書有一定的可比性。但是從微觀不穩(wěn)定性和非線性理論等章開始，采用了具體例子和太陽(yáng)物理的觀測(cè)進(jìn)行比較，從而來(lái)體現(xiàn)本書標(biāo)題中涉及的在太陽(yáng)物理中的應(yīng)用。這一部分中的多數(shù)內(nèi)容都是從作者的研究工作出發(fā)。一方面是因?yàn)榈入x子體動(dòng)力學(xué)在太陽(yáng)物理中的應(yīng)用目前主要局限于太陽(yáng)射電的范圍；即便是該領(lǐng)域的理論工作，多數(shù)采用了準(zhǔn)線性理論，關(guān)于該理論和等離子體動(dòng)力學(xué)的關(guān)系在本書第10章進(jìn)行了專題討論。另一方面，作者較多引用自己的工作的目的也是為了使本書具有更好的系統(tǒng)性。

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