具体描述
《等离子体动力学及其在太阳物理中的应用》将基本理论和天文应用相结合，根据太阳物理深入发展的需求，侧重介绍了等离子体动力学理论框架及其与磁流体力学基本方程的关系。系统推导了等离子体动力学的线性理论(包括色散关系和微观不稳定性)及其在太阳射电物理中的应用实例。并通过若干个例，列举了非线性等离子体动力学理论的基本类型及其在太阳物理中的应用。最后对等离子体动力学所涉及的几个重要问题进行了专题讨论。为了便于研究生学习和掌握《等离子体动力学及其在太阳物理中的应用》的内容，各章均设置了一些习题。
《等离子体动力学及其在太阳物理中的应用》可作为太阳物理，特别是太阳射电物理的研究生和研究人员的入门书和参考书。
宇宙的能量之舞：粒子流的奥秘与地球的保护者 当浩瀚的宇宙展开在我们面前，我们常常惊叹于星辰的璀璨，行星的规律运行，以及那些肉眼无法企及的宏伟景象。然而，在这宇宙舞台的背后，一股看不见的、却驱动着一切演变的强大力量正在涌动——那就是等离子体。它并非简单的“电离气体”，而是宇宙中最普遍的存在形式，是恒星燃烧的燃料，是星系间介质的骨架，更是塑造我们赖以生存的地球环境的关键角色。 这本书，并非旨在介绍“等离子体动力学及其在太阳物理中的应用”这一具体学科的学术性论述。相反，它将带领我们踏上一段更广泛、更富想象力的旅程，去探索等离子体的本质，理解它们如何以千变万化的姿态，在宇宙的各个角落奏响生命的序曲，并最终与我们——地球上的居民——产生深刻的联系。我们将穿越遥远的星云，潜入恒星炽热的核心，感受超新星爆发的震撼，甚至近距离观察我们赖以生存的太阳，理解它奔腾不息的能量如何塑造着地球的磁场，保护我们免受宇宙射线的侵袭，也带来缤纷的极光。 第一章：宇宙的初生与等离子体的黎明 想象一下，宇宙大爆炸后的最初时刻，一切都处于极高的温度和密度下。原子尚未形成，电子和原子核是自由的。这个由带电粒子构成的混沌海洋，便是宇宙的第一个等离子体。它如同宇宙的种子，孕育着后来的一切。本书将追溯这个“等离子体黎明”，从基本粒子出发，解释为何在极高的能量环境下，物质会以等离子体的形式存在。我们将深入理解电荷、磁场与粒子运动之间的复杂互动，这些基础概念将是理解后续一切现象的关键。我们将探讨等离子体的基本性质：电导率、等离子体频率、德拜长度等，这些看似抽象的物理量，却决定了等离子体行为的独特性，使其与普通气体截然不同。我们将看到，正是这些性质，使得等离子体能够传输电荷、抵御外力，并形成各种我们今天仍在观测到的宇宙结构。 第二章：恒星的燃烧室——等离子体驱动的核聚变 恒星，那些夜空中闪耀的永恒之火，其能量的来源正是等离子体。在恒星的核心，巨大的引力压缩物质，温度和压力达到惊人的程度，使得原子核得以克服库仑斥力，发生核聚变反应。这个过程，本质上是一场发生在等离子体环境中的能量释放盛宴。本书将描绘恒星内部的等离子体状态，从氢聚变成氦，再到更重的元素。我们将理解等离子体密度、温度梯度如何影响聚变速率，以及恒星如何通过这种方式维持其数亿年甚至数十亿年的燃烧。我们将探讨等离子体湍流在恒星内部扮演的角色，它们如何输运能量，影响恒星的结构和演化。甚至，我们将触及恒星风，那些从恒星表面喷射出的等离子体流，它们穿越星际空间，为宇宙的物质循环做出贡献。 第三章：星系的交响曲——从星云到黑洞的等离子体舞步 宇宙的宏伟画卷，离不开星系。而星系，绝大多数都沐浴在等离子体的海洋之中。星际介质，构成星系物质的主要部分，其中绝大部分是以等离子体的形式存在的。本书将带领读者穿越星系，观察等离子体在不同尺度下的表现。从新生恒星孕育的分子云，到壮丽的发射星云，再到恒星死亡后留下的超新星遗迹，等离子体无处不在，以其独特的发光特性，为我们描绘出宇宙的壮丽图景。我们将探索等离子体如何在星系中形成恒星，又如何被超新星爆发驱散，参与星系的物质和能量循环。更令人着迷的是，在星系中心，那些拥有强大引力的黑洞，它们周围同样围绕着由高温等离子体构成的吸积盘。本书将揭示这些等离子体如何被黑洞吞噬，释放出耀眼的X射线，成为宇宙中最活跃的天体之一。我们将理解等离子体流喷流（jets）的形成机制，它们从黑洞两极喷射而出，可以延伸到星系之外，对星系的演化产生深远影响。 第四章：太阳——我们最亲近的等离子体实验室 太阳，这个我们生命所必需的能量源，本身就是一个巨大的等离子体球。它的表面温度高达数千摄氏度，内部温度更是达到千万摄氏度。太阳的光芒，太阳风，太阳黑子，日珥，日冕物质抛射（CMEs）……所有这些现象，都是太阳等离子体活动的直接体现。本书将聚焦于太阳，将我们的目光从遥远的星系拉回到距离我们最近的恒星。我们将深入了解太阳内部的等离子体结构，从对流区到辐射区，理解能量如何从核心传递到表面。我们将详细解析太阳风的形成机制，理解这些高能带电粒子流如何穿越太阳系，影响行星的磁层和大气。我们将目睹太阳黑子和耀斑的爆发，理解它们是如何由太阳磁场活动引发的，并可能对地球产生影响。本书将特别强调太阳活动对地球空间环境的巨大影响，为读者理解下一章的内容打下基础。 第五章：地球的守护神——太阳风与地球磁层的互动 地球并非孤立地漂浮在太空中，而是时刻与太阳释放出的等离子体流——太阳风——进行着激烈的“对话”。太阳风以每秒数十万公里的速度向外传播，一旦遇到地球，便会与其强大的磁场发生相互作用。本书将生动地描绘这场宇宙级的“碰撞”。我们将理解地球磁场是如何像一面无形的盾牌，偏转大部分的太阳风粒子，保护地球大气和生命免受高能粒子的轰击。我们将探索磁层（magnetosphere）的结构，包括弓形激波（bow shock）、磁层顶（magnetopause）、磁尾（magnetotail）等，理解它们是如何形成的，以及它们在拦截和引导太阳风中的作用。我们将揭示极光现象的成因，理解当太阳风粒子沿着磁力线进入地球大气层，与大气分子碰撞时，会发出绚丽的光芒。我们还将探讨太阳风中的剧烈活动，例如日冕物质抛射，如何可能导致地磁暴，对我们的通信、导航系统，甚至电力供应造成潜在威胁。 第六章：等离子体的未知领域与未来的启示 宇宙的奥秘远未穷尽，等离子体的研究依然充满挑战与机遇。本书将在最后，将我们的视野投向等离子体研究的前沿和未来。我们将探讨在宇宙的极端环境中，例如黑洞周围的吸积盘、脉冲星的磁层，以及遥远星系核的等离子体活动，科学家们是如何利用先进的观测设备，如射电望远镜、X射线望远镜等，去揭示这些隐藏的物理过程。我们将简要介绍当前等离子体研究中的一些热门课题，例如等离子体湍流的混沌动力学，高能粒子加速机制，以及等离子体与引力场的耦合效应等。本书将鼓励读者，用一种更开放、更具探索精神的态度去拥抱科学。我们并非以提供具体的科学方法或数据分析为目标，而是希望点燃读者对宇宙中这股最普遍、最基本的力量的好奇心。等离子体，这股无处不在的能量之流，不仅塑造着宇宙的过去、现在和未来，也与我们地球的生命息息相关。理解它，就是理解我们自身在宇宙中的位置，以及我们所处的这个美丽星球的生存之道。 通过这样一场跨越时空的探索，我们希望读者能够对等离子体有一个全新的认识——它不再是冰冷的科学名词，而是驱动宇宙运转的生命脉动，是星辰燃烧的烈焰，是地球安宁的屏障，更是我们理解宇宙奥秘的一把钥匙。
作者简介
黄光力，1949年出生于南京，1982年毕业于山东大学物理系，1985年于核工业西南物理研究院获等离子体物理硕士，1990年于中国科学院紫金山天文台获天体物理博士。现任中国科学院紫金山天文台“太阳活动”创新团队的首席研究员和博士生导师。作者长期从事太阳射电和天体等离子体物理领域研究，在国内外学术刊物发表了上百篇论文；并在南京大学天文系承担等离子体动力学的研究生课程，培养了多名博士和硕士研究生。于1988年获美国史密松天文台博士前基金、1994年获法国国家科学研究中心一王宽诚博士后基金、2000年任日本文部省访问教授。主持完成“九五”和“十五”国家自然科学重点项目各一项、面上基金多项。曾获1993年中国科学院自然科学二等奖和2000年北京市科学技术一等奖各一项。
目录信息
第1章 前言 参考文献第2章 等离子体的定义 2.1 德拜长度和准中性条件 2.2 德拜球中的粒子数条件 2.3 中性粒子和带电粒子的碰撞频率 本章习题 参考文献第3章 等离子体动力学的基本方程 3.1 引言 3.2 Klimontovich—Dupree方程 3.3 无碰撞的弗拉索夫方程 3.4 玻尔兹曼方程(短程碰撞) 3.5 福克尔-普朗克方程(库仑碰撞) 本章习题 参考文献第4章 磁流体力学方程的推导 4.1 动力学方程的矩方程 4.2 双(多)流体方程 4.2.1 连续性方程 4.2.2 运动方程 4.2.3 能量输运方程 4.2.4 双(多)流体方程组 4.2.5 碰撞项的性质 4.3 磁流体力学方程 4.3.1 磁流体的质量密度、平均速度、电荷密度和电流密度 4.3.2 磁流体连续性方程 4.3.3 磁流体运动方程 4.3.4 广义欧姆定律 4.3.5 磁流体力学方程 4.3.6 简化的磁流体力学方程 本章习题 参考文献第5章 “冷”等离子体色散方程 5.1 双流体方程的线性化 5.2 推导色散关系所必需的三个张量 5.2.1 电导率张量 5.2.2 介电张量 5.2.3 色散张量 5.3 “冷”等离子体色散方程 5.3.1 一般形式 5.3.2 两个重要的特例 5.3.3 几种常见的“冷”等离子体波 5.4 “冷”等离子体色散曲线 5.4.1 几种典型的色散曲线 5.4.2 截止频率和共振频率 5.4.3 背景等离子体参数的影响 本章习题 参考文献第6章 等离子体动力学色散方程 6.1 未扰轨道积分 6.1.1 弗拉索夫方程的线性解 6.1.2 未扰轨道的选择 6.2 电导率张量 6.2.1 电导率张量的一般形式 6.2.2 电导率张量的各个分量 6.2.3 电导率张量的复对称性 6.3 介电张量和色散张量 本章习题 参考文献第7章 共振(相干)不稳定性 7.1 电子回旋脉泽不稳定性——共振不稳定性 7.1.1 不稳定性增长率的近似表达式 7.1.2 介电张量的反Hermitian分量 7.1.3 “冷”等离子体色散张量的伴随张量 7.1.4 常用的非热带电粒子的分布函数 7.1.5 与速度空间的共振条件 7.1.6 电子回旋脉泽不稳定性的增长率 7.1.7 回旋共振吸收 7.1.8 理论计算的结果 7.1.9 和经典回旋同步辐射机制的关系 7.2 太阳毫秒级射电尖峰辐射的解释 7.2.1 一般特征 7.2.2 寿命 7.2.3 带宽 7.2.4 偏振 7.2.5 谐波结构 7.2.6 尖峰辐射的日冕高度 7.2.7 尖峰辐射的日面位置和源参数 本章习题 参考文献第8章 反应(非相干)不稳定性 8.1 直接求解色散方程的方法 8.1.1 经典的Buneman不稳定性 8.1.2 双流不稳定性和朗缪尔波 8.1.3 修正后的双流不稳定性， 8.1.4 温度和束流的变化对双流不稳定性的影响 8.2 在共振条件附近展开的方法 8.2.1 与电子回旋脉泽不稳定性的比较 8.2.2 弱磁化近似下的增长率 8.2.3 增长率的计算和讨论 8.3 束流不稳定性增长率的解析表达式 8.4 理论和观测的比较 8.4.1 米波Ⅲ型射电爆发的观测特征 8.4.2 Ⅲ型射电爆发的经典理论 8.4.3 用束流不稳定性直接放大电磁波解释Ⅲ型射电爆发 本章习题 参考文献第9章 非线性等离子体物理 9.1 例一：有质动力和非线性朗道阻尼 9.1.1 线性朗道阻尼 9.1.2 非线性朗道阻尼和有质动力 9.2 例二：电磁孤波理论 9.2.1 线性色散方程的弱磁化近似 9.2.2 非线性项的导出 9.2.3 非线性波动方程和孤波解 9.2.4 和太阳观测的比较 9.3 例三：损失锥分布的形成 9.3.1 基本方程和边界条件 9.3.2 各向同性注入的粒子源 9.3.3 任意角度注入的粒子源 9.3.4 捕获粒子的注入深度 9.3.5 初始投射角对太阳硬x射线和微波足点发射的不对称性的影响 本章习题 参考文献第10章 若干问题的讨论 10.1 等离子体动力学和磁流体力学的关系 10.2 速度和位置的不同层次 10.3 速度空间的共振和相干辐射 10.4 准线性理论和等离子体动力学的关系 10.5 线性和非线性的关系 10.6 解析和数值方法的关系 本章习题 参考文献后记
· · · · · · (收起)
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