等離子體動力學及其在太陽物理中的應用

第1章 前言
參考文獻
第2章 等離子體的定義
2.1 德拜長度和准中性條件
2.2 德拜球中的粒子數條件
2.3 中性粒子和帶電粒子的碰撞頻率
本章習題
參考文獻
第3章 等離子體動力學的基本方程
3.1 引言
3.2 Klimontovich-Dupree方程
3.3 無碰撞的弗拉索夫方程
3.4 玻爾茲曼方程（短程碰撞）
3.5 福克爾-普朗克方程（庫侖碰撞）
本章習題
參考文獻
第4章 磁流體力學方程的推導
4.1 動力學方程的矩方程
4.2 雙（多）流體方程
4.2.1 連續性方程
4.2.2 運動方程
4.2.3 能量輸運方程
4.2.4 雙（多）流體方程組
4.2.5 碰撞項的性質
4.3 磁流體力學方程
4.3.1 磁流體的質量密度、平均速度、電荷密度和電流密度
4.3.2 磁流體連續性方程
4.3.3 磁流體運動方程
4.3.4 廣義歐姆定律
4.3.5 磁流體力學方程
4.3.6 簡化的磁流體力學方程
本章習題
參考文獻
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 推導色散關系所必需的三個張量
5.2.1 電導率張量
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 背景等離子體參數的影響
本章習題
參考文獻
第6章 等離子體動力學色散方程
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 電導率張量
6.2.1 電導率張量的一般形式
6.2.2 電導率張量的各個分量
6.2.3 電導率張量的復對稱性
6.3 介電張量和色散張量
本章習題
參考文獻
第7章 共振（相干）不穩定性
7.1 電子回旋脈澤不穩定性——共振不穩定性
7.1.1 不穩定性增長率的近似表達式
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
7.1.4 常用的非熱帶電粒子的分布函數
7.1.5 速度空間的共振條件
7.1.6 電子回旋脈澤不穩定性的增長率
7.1.7 回旋共振吸收
7.1.8 理論計算的結果
7.1.9 和經典回旋同步輻射機制的關系
7.2 太陽毫秒級射電尖峰輻射的解釋
7.2.1 一般特征
7.2.2 壽命
7.2.3 帶寬
7.2.4 偏振
7.2.5 諧波結構
7.2.6 尖峰輻射的日冕高度
7.2.7 尖峰輻射的日面位置和源參數
本章習題
參考文獻
第8章 反應（非相干）不穩定性
第9章 非線性等離子體物理
第10章 若干問題的討論
後記

出版本書的動機之一是，本人在2006年11月份參加海峽兩岸第七屆空間物理研討會時，國際知名等離子體物理學者、美國加州大學陳騮教授告知，為了解決人類能源短缺的問題，全球熱核聚變領域正面臨重大的發展機遇，包括中國和歐、美、日等多國合作的國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）計划已於近期立項。我國教委為了配合該頊目的研究，將大力推動各高校的等離子體物理基礎教育。考慮到自己早年曾在熱核聚變領域完成碩士論文，之后轉入太陽物理領域工作二十余年，深切體會到等離子體物理在太陽物理研究中的重要性；近年來，作者在南京大學天文系開設了等離子體動力學的研究生課程，感到有必要結合自己的工作以及講課中的體會和收獲，為我國太陽物理研究人員和研究生編寫一本關於等離子體動力學理論及其在太陽物理中的應用的參考書。

促使自己寫作本書的另一原因是，在太陽物理現有的觀測條件下，空間和地面望遠鏡的分辨能力還遠遠不能達到等離子體特征尺度即德拜長度的量級，因而太陽物理研究主要集中在宏觀的磁流體力學的尺度，相應的理論研究大多不涉及微觀帶電粒子的基本物理過程，而是更加側重於理論與大尺度觀測現象的比較和解釋。值得注意的是，近年來太陽物理的觀測（特別是空間衛星的觀測）得到高速的發展，很多太陽物理學者逐漸認識到，研究等離子體物理微觀過程將成為太陽物理深入發展的必由之路。近年來，除了傳統的磁流體力學數值模擬之外，對微觀等離子體過程的粒子模擬和弗拉索夫模擬也己得到太陽物理學者的廣泛重視。必須指出，盡管磁流體力學的方程來源於等離子體物理的基本方程（在本書中將對兩者的關系作詳細介紹），但是兩者己經形成了各自獨立的理論體系，並具有完全不同的時空尺度和研究對象。對此，在等離子體物理學科中已有明確的界定卡。在熱核聚變等多數領域以等離子體動力學作為等離子體帶電粒子分布函數的基本理論，從而區別於磁流體力學的理論范疇；等離子體物理通常是指等離子體動力學，在有些教科書中也包含了磁流體力學，本書內容僅限於等離子體動力學（關於等離子體動力學還有另外兩種常用的中文表述：等離子體動力論或等離子體動理論；與等離子體動力學和磁流體力學對應的英文名詞分別是plasma kinetic theory和magnetohydrodynamics）。

還有一點需要說明的是，等離子體動力學涉及的內容很多；本書的主要目的是把基本概念、基本方程的來龍去脈以及在線性近似下求解等離子體色散關系、波和不穩定性等最基礎性的內容講清楚。另外，考慮到太陽物理的實際情況，其觀測信息主要來源於電磁波段的輻射；因而不可能像實驗室或空間衛星那樣對等離子體參數進行實地的和重復的測量；也就是說，在太陽物理現有的觀測條件下，還不可能像實驗室那樣對等離子體基本物理過程進行直接的和主動的測量。因此在本書中，對一些和太陽物理目前的研究關系不太緊密的內容（玫口輸運理論等）僅作較簡單的介紹：等離子體動力學還有一頊很重要的內容，就是非線性理論，而等離子體本身就是一個復雜的非線性系統。但考慮到非線性等離子體物理還有很多尚未解決的問題，相對於線性理論而言，至今尚未形成完整的理論體系，另外考慮到本書篇幅的限制和太陽物理對該理論的實際需求，本書將對非線性理論的一些基本類型進行一般性的介紹，然后給出若干個例加以說明。

關於書名中提及的等離子體動力學在太陽物理中的應用也是本書的一個重要的主題。從目前的實際情況來看，等離子體動力學理論在太陽物理中主要應用於輻射和粒子加速等方面的研究，相對於實驗室和空間等離子體物理來說比較薄弱。本書一方面強調等離子體動力學是等離子體物理（包括磁流體力學）的基礎，另一方面對等離子體動力學的線性和非線性理論的介紹均與太陽物理（特別是射電觀測）有密切的聯系。從而力圖把理論、方法和應用在本書中融為一體，大力推動我國太陽物理學者和研究生深入了解和使用等離子體動力學這一理論工具。在以往的學習和工作中，本人積累了一些等離子體動力學的推導方法（包括求解等離子體色散方程、未擾軌道積分以及部分正式發表的論文），這與其他教科書的理論體系相比有所不同，它更為簡捷也更易於被研究生和初學人員所掌握，這也是本書的一個特點。當然，本書也包含了作者個人對等離子體物理和太陽物理的一些理解和看法，希望和所有的讀者進行探討；有錯誤之處，也請各位同行不吝賜教。還要請讀者注意的是：為了便於和參考書作比較，本書中物理量的量綱采用高斯和國際兩種單位制，並在每一章的開始注明所用的量綱。另外，為了便於研究生掌握此書內容，在每一章后面給出了若干習題。

最后，我要衷心感謝國家天文台汪景既研究員主持的國家973項目「日地空間災害性天氣的發生、發展和預報研究」（編號：2006CB806300）和子課題「空間災害性天氣的耀斑因素研究」（編號：2006CB806302）對本書在科學出版社出版的支持，並列為艾國樣院士主編的現代太陽物理叢書之一。本書的相關研究成果也得到了國家自然科學基金委員會的支持，包括作者近年來主持的重點頊目「射電爆發頻譜及其物理機制」（編號19833050）、「日冕爆發的射電信號和等離子體過程」（編號10333030）和面上項目「日冕磁場能量釋放中的非線性等離子體過程的研究」（編號：10773032）等。