太阳磁流体力学
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作者毛信杰
出版社中国科技出版传媒股份有限公司
ISBN9787030774552
出版时间2023-07
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定价268元
货号16042997
上书时间2024-10-28
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目录
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前言
第1章 太阳及其磁场简介1
1.1 磁流体力学1
1.2 发展简史1
1.3 太阳的基本参数3
1.4 太阳的分层结构3
1.5 宁静太阳、太阳活动区5
1.6 太阳磁场5
第2章 磁流体力学的基本方程7
2.1 电磁方程7
2.1.1 Maxwell方程组7
2.1.2 欧姆定律9
2.1.3 感应方程15
2.1.4 电导率17
2.2 等离子体方程26
2.2.1 质量守恒26
2.2.2 运动方程26
2.2.3 接近气体定律32
2.3 能量方程32
2.3.1 能量方程的不同形式32
2.3.2 热传导35
2.3.3 辐射42
2.3.4 加热44
2.3.5 能量及其转换的物理过程49
2.4 总结51
2.4.1 假设51
2.4.2 方程的简化形式52
2.5 感应方程的求解53
2.5.1 扩散54
2.5.2 理想导电59
2.6 Lorentz力62
2.7 若干定理69
2.8 磁通管行为的总结74
2.9 电流片行为的总结80
2.9.1 电流片的形成过程82
2.9.2 电流片的性质82
第3章 磁流体静力学84
3.1 静力学方程组84
3.2 磁场中的等离子体结构86
3.3 磁通管的结构(柱对称)89
3.3.1 纯轴向场91
3.3.2 纯环向场91
3.3.3 无力场94
3.4 无电流场113
3.5 无力场115
3.5.1 一般原理116
3.5.2 简单的α=const解120
3.5.3 常α无力场的一般解125
3.5.4α不为常数(非线性)解130
3.5.5 无力场的扩散132
3.6 磁流体静力场134
第4章 波141
4.1 波的模式和基本方程141
4.1.1 基本模式141
4.1.2 基本方程142
4.2 声波145
4.3 磁波146
4.3.1 剪切或扭转Alfvén波148
4.3.2 压缩Alfvén波153
4.4 内重力波154
4.5 惯性波162
4.6 磁声波168
4.7 声-重力波177
4.8 磁声-重力波(总结)183
4.95 分钟振荡189
4.10 不均匀介质中的波和磁界面的表面波190
第5章 激波206
5.1 激波的基本理论206
5.1.1 流体力学激波的形成206
5.1.2 磁场的作用214
5.2 流体力学激波215
5.3 磁流体力学激波234
5.3.1 间断条件234
5.3.2 接触间断239
5.3.3 切向间断240
5.3.4 旋转间断240
5.3.5 激波二侧压强和密度的关系242
5.3.6 快激波和慢激波246
5.4 斜激波249
5.4.1 跃变关系249
5.4.2 快、慢激波小结255
5.4.3 中间波257
5.5 平行和垂直于磁场方向的激波传播259
第6章 太阳上层大气加热264
6.1 日冕的加热264
6.1.1 色球和日冕的特征266
6.1.2 色球环和日冕环以及观测特征267
6.2 冕环模型的物理特征270
6.2.1 冕环能量平衡的静态模型272
6.2.2 压强均匀的环:定标定律273
6.2.3 色球环和冕环的动力学模型274
6.3 MHD波加热283
6.3.1 边缘和足点驱动的共振吸收283
6.3.2 均匀介质中Alfvén波的衰减285
6.3.3 相位混合加热色球和日冕286
6.4 磁重联加热293
6.5 Alfvén波的非线性耦合294
6.6 日冕加热研究的展望295
第7章 不稳定性297
7.1 分析方法297
7.2 方程的线性化300
7.3 简正模方法304
7.4 能量原理313
7.5 不稳定性例329
7.5.1 交换不稳定性329
7.5.2 撕裂不稳定性347
7.5.3 电阻不稳定性354
7.5.4 电流对流不稳定性371
7.5.5 辐射驱动的热不稳定性373
7.5.6 Kelvin-Helmholtz不稳定性374
第8章 黑子380
8.1 磁对流380
8.1.1 物理效应380
8.1.2 线性稳定性分析386
8.1.3 磁通量的排挤及集中395
8.2 磁浮力409
8.2.1 定性描述409
8.2.2 磁浮力不稳定410
8.2.3 太阳磁通管的上升431
8.3 黑子的冷却433
8.4 黑子的平衡结构436
8.4.1 磁流体静力学平衡436
8.4.2 黑子的稳定性447
8.5 黑子半影453
8.6 黑子的演化454
8.6.1 黑子的形成454
8.6.2 黑子的衰减460
8.7 强磁通管463
8.7.1 细磁通管的平衡464
8.7.2 强磁场不稳定性466
8.7.3 针状体的产生477
8.7.4 管波487
第9章 发电机理论498
9.1 磁场的维持498
9.2 Cowling定理499
9.2.1 无发电机定理499
9.2.2 发电机效应简例——盘单极发电机500
9.2.3 自持发电机的特性502
9.3 运动学发电机508
9.3.1 平均场和涨落场方程508
9.3.2 一阶平滑近似510
9.3.3 α效应和β效应512
9.3.4 Braginsky的弱非轴对称理论515
9.3.5 平均场电动力学,湍流发电机517
9.3.6 平均场电动力学的α2发电机527
9.3.7 发电机波528
9.3.8 太阳活动周模型——α-ω发电机536
9.3.9 α-ω发电机的发电机波538
9.4 发电机理论的困难544
9.5 将来需要研究的问题545
第10章 太阳耀斑546
10.1 磁重联的概述546
10.2 重联概念的总观546
10.3 二维零点547
10.4 电流片的形成547
10.5 磁重联549
10.5.1 单向场549
10.5.2 扩散区551
10.5.3 Petscheck机制554
10.6 简单磁环耀斑568
10.6.1 磁通浮现模型568
10.6.2 热不平衡570
10.6.3 扭折不稳定性572
10.6.4 电阻扭折不稳定性575
10.7 双带耀斑576
10.7.1 无力平衡解的存在及解的多重性577
10.7.2 爆发不稳定性578
10.7.3 主相:耀斑后环581
第11章 日珥(暗条)585
11.1 宁静日珥的观测特征585
11.2 形成587
11.2.1 活动区暗条在环中的形成590
11.2.2 冕拱中形成的暗条592
11.2.3 在电流片中形成的暗条596
11.2.4 热不平衡597
11.3 简单磁拱的静力学支撑601
11.3.1 Kippenhahn-Schlüter模型601
11.3.2 Kippenhahn-Schlüter的普遍模型603
11.3.3 外场613
11.3.4 磁流体力学稳定性616
11.3.5 螺旋结构617
11.4 对有螺旋场的磁位形的支撑621
11.4.1 电流片的支撑621
11.4.2 在水平场中的支撑626
11.5 日冕瞬变现象629
11.5.1 扭转环模型631
11.5.2 无扭转环模型638
11.5.3 数值模型643
11.5.4 模型的比较和展望643
参考文献645
后记651
表目录
表2.1 lnΛ随T和n变化18
表2.2 λD与ne在太阳高层大气中的典型数值(Zombeck,1982)38
表4.1 波的驱动力141
表4.2 斜Alfvén波与慢磁声波性质对比172
表4.3 不在垂直方向传播的波动解179
表5.1 激波后物理量的定性变化228
表5.2 由不同Δp/p1算出的相关物理量232
表5.3 快、慢激波的对比249
表5.4 三种波演化的比较258
表6.1 上层大气的能耗(1W·m2=103erg·cm.2·s.1)(Withbroe and Noyes,1977)271
表8.1 磁通管浮出时间432
表8.2 腊肠型和扭折型管内外波动的比较(.vx为振幅)491
表8.3 m20和m2e与磁通管内外波的关系492
表11.1 宁静暗条和活动区暗条的形成高度612
表11.2 解析模型和数值模型的比较644
图目录
图1.1 太阳球体分层结构4
图1.2 太阳表面大气中温度和质量密度随高度的变化4
图2.1 与离子发生库仑碰撞的电子轨道17
图2.2 等离子体薄片19
图2.3 Landau阻尼使波损失能量,加速粒子22
图2.4 离子声波受到阻尼23
图2.5 (a)离子声波受到阻尼小,波可以稳定存在;(b)离子声波不稳定性与分布函数23
图2.6 碰撞截面37
图2.7 光学薄辐射损失中的Q(T)函数上方曲线对应日冕丰度,下方为光球丰度[取自CHIANTI原子数据库,Dere等(2009)推导.](1erg·s.1·cm3=10.13W·m3)43
图2.8 磁扩散(a)磁场强度随时间的变化;(b)磁力线在三个时刻的分布55
图2.9 磁通量守恒:假如封闭曲线C1因等离子体运动变为C2,t1时刻通过C1的通量等于t2时刻通过C2的通量61
图2.10 磁力线守恒:假如等离子体流体元P1和P2,在时刻t1位于一根磁力线上,则在以后时刻t2总位于同一根磁力线上61
图2.11 张力的方向64
图2.12 (a)均匀磁场中,磁压力P和张力T平衡;(b)磁场B(x).y,dB/dx>0磁压强不平衡(P2>P1)65
图2.13 对称的弯曲磁场产生的合力(R)(方程(2.6-4))67
图2.14 X型中性点附近的磁力线(a)处于平衡态(α=1);(b)不平衡态(α2>1)x轴上合力(压力)R向着原点,y轴上合力(张力)R向外68
图2.15 磁通管的两端面分别为S1和S2,分别有磁通量F1和F275
图2.16 磁通管磁场强度B0→B,等离子体密度ρ0→ρ,尺度变化因子λ,λ76
图2.17 (a)yz平面上的电流片,磁场B1跨过该平面旋转,变为B2;(b)跨越中性电流片的平面(xz平面),磁场在中心部位消失,等离子体压强为p0;(c)磁力线通过电流片时,发生磁重联,中心部分的电流片分叉成两对慢激波81
图2.18 电流片示意图83
图3.1 磁力线与.z方向夹角为θ,s量度沿磁力线的距离85
图3.2 等离子体位于垂直磁场中,等密度线位于水平方向,等压线(虚线)为斜线,1,2,3压强顺次下降88
图3.3 线箍缩93
图3.4 均匀扭转磁场在两个半径上的磁力线97
图3.5 (a)扭转的磁通管从半径a径向膨胀至半径a;(b)角向磁通量在磁通管最粗的部分聚合99
图3.6 (3.5-8)式描述的冕拱模型的垂直和水平方向截面图,取B0<0,阴影的磁环在冕拱底部,受有压力,因此影响到整个高度122
图3.7 一个扭转黑子上方的磁场模型,由(3.5-9)式描述的垂直和水平方向的截面图124
图3.8 静力场磁拱模型实线为磁力线,短划线为等压线,(a),(b)二例中的磁拱宽为L=(2π/3)Λ,Λ是标高(a)2αΛ=3;(b)2αΛ=5(Zweibel and Hundhausen,1982)139
图4.1 (a)Alfvén横波沿磁力线方向k传播;(b)磁力线的压缩和膨胀引起压缩Alfvén波,传播方向k,跨越磁力线146
图4.2 实线圆为Alfvén波,短划线为压缩Alfvén波矢径的长度等于沿该方向传播的波的相速度ω/k148
图4.3 扰动速度(v1)和磁场(B1)与平衡态磁场(B0)和波传播方向(k)之间的关系(a)Alfvén波矢量v1和B1均垂直(k,B0)平面;(b)压缩Alfvén波,v1和B1与(k,B0)共面150
图4.4 长度为π/k的磁通管因扭转Alfvén波而振荡151
图4.5 等离子流体元反抗重力从高度z垂直移动至z+δz处两个位置上流体元外的密度分别是ρ0和ρ0+δρ0154
图4.6 内重力波的群速度(v2g=v2gx+v2gz)的方向垂直于锥面锥面由与z轴的夹角为θg的波矢环绕z轴生成161
图4.7 转动轴和传播方向间的关系163
图4.8 速度矢量v1的方向频率2ΩcosθΩ的惯性波沿k方向传播,每一点v1⊥k,k矢量本身以角速度Ω绕转轴转动164
图4.9 波矢k和转动角速度Ω的关系图165
图4.10 斜Alfvén波169
图4.11 磁流体力学波的相速度与θB的关系:(a)cs>vA;(b)cs
图4.12 沿偏离磁场θB角度传播的快、慢磁声波,us和uf分别代表慢波和快波vA是Alfvén速度,cs是声速(a)相速度;(b)群速度171
图4.13 低频区中k∥B的横波色散图(ωΩi)175
图4.14 诊断图频率ω的声重力波传播区域阴影区域中扰动不能传播(a)角度θg的垂直方向的传播;(b)水平波数kx的波在垂直方向的传播ω=N和ω=kxcs的渐近线由虚线表示181
图4.15 光球多处观测的垂直速度作为时间的函数,曲线之间的间隔为3角秒(约2200公里),相邻曲线间速度差为0.4km·s.1189
图5.1 激波的形成207
图5.2 有限振幅的声波,初始为正弦波,在均匀未扰介质中传播,变陡212
图5.3 非线性的波形变陡的倾向,使流体的物理量(如密度、速度等)变为多值因此必须考虑到粘滞粘滞力与变陡倾向的平衡,产生激波,近似为流体物理量的间断面213
图5.4 激波相对于激波前流体超声速前进,超越原始正弦波的波谷,也在后面留下了尾部,激波形成后,初始正弦波变形为三角形213
图5.5 消去激波和诱生激波214
图5.6 激波前后物理量217
图5.7 S为体积τ的界面,n是外法向单位矢量218
图5.8 激波两侧熵的变化ΔS和Mach数M1间的关系226
图5.9 静止坐标系中的速度关系230
图5.10 活塞以v气运动232
图5.11 旋转间断241
图5.12 激波前后的磁场分量242
图5.13 磁流体激波后,熵增加245
图5.14 等离子体流速v1取得与磁场平行250
图5.15 三种斜激波引起磁场方向的变化254
图5.16 垂直激波256
图5.17 激波参考系中,磁场平行波前,垂直流动速度259
图6.1 磁力线滞后于水平运动的足点,Bv和Bh分别为磁场的垂直和水平分量,vh为水平速度分量265
图6.2 宁静太阳中的磁力线267
图6.3 半个超米粒元胞上方的磁力线(a)Gabriel模型:来自光球的磁通量集中于左下角,位于网络边界;(b)改造的模型:光球磁通量的一半位于元胞内部磁力线从底部的正极出发,终止于顶部的负极267
图6.4 太阳上层大气静态模型温度结构,传导、辐射和加热在不同高度的作用271
图6.5 对称冕环的记号,长为2L,足点(s=0)的温度为T0、密度为n0,环顶(s=L)的温度和密度分别为Tmax和nmax,r是环高和基线一半长度D之比,d是顶部和足点部分环截面直径之比272
图6.6 冕环中主要的流动:(a)虹吸;(b)针状体;(c)漏泄;(d)蒸发275
图6.7 冕环长度100Mm,沿着会聚的冕环不同位置处的虹吸流速度(Cargill and Priest,1980)276
图6.8 冕环通过蒸发或漏泄从一个平衡态演变至另一个平衡态,取决于加热率(或环长度)的增加或减少276
图6.9 (a)速度v1x的快波,由右向左传播,在x=xr处共振吸收;(b)足点驱动的Alfvén波,有大的频率范围,仅与共振频率相关的波在x=xr处被吸收285
图6.10 磁场的基本几何结构在.y方向运动的足点激发剪切Alfvén波Alfvén波速度随x而变(Heyvaerts and Priest,1983)287
图7.1 一维系统的势能W(x),x=0为平衡位置298
图7.2 等离子流体元从平衡位置r0移动至r,位移用ξ表示302
图7.3 扰动前重力场和磁场间的边界305
图7.4 扰动后重力场和磁场间的边界306
图7.5 两种均匀等离子体界面间的(a)初态;(b)扰动态306
图7.6 磁场B(.)0.x支撑等离子体(阴影区),(a)平衡位形;(b).y方向脉动;(c).x方向脉动307
图7.7 (a)磁力线环绕平衡的等离子体柱;(b)柱体受到扭折扰动316
图7.8 扭折不稳定性317
图7.9 径向分量ξR作为半径R的函数磁通管的Euler-Lagrange方程(7.4-34)的典型解326
图7.10 螺旋扭折不稳定性图均匀扭转无力场磁通管两端固定,长为2 L,等效宽度a,沿磁通管的扰动波数为k,Φ是扭转角度326
图7.11 (a)磁镜;(b)交换扰动329
图7.12 简单磁镜位形的交换不稳定性331
图7.13 (a)磁场约束等离子体,磁场凹向等离子体;(b)磁界面上的槽形位移332
图7.14 磁约束中的凹槽形不稳定性333
图7.15 界面方向垂直磁场,磁通管两端的固定能稳定长波扰动334
图7.16 (a)线箍缩等离子体压强p0磁场B0z.z电流j.z沿表面流动产生磁场Bφbφ(b)界面上的腊肠扰动335
图7.17 虚宗量Bessel方程的两个线性无关的解Im(x)和Km(x)343
图7.18 撕裂不稳定性347
图7.19 非均匀电流片B′′0/B0<0的示意图349
图7.20 推导(7.5-47)的示意图350
图7.21 电流片中的电阻不稳定性驱动力Fd大于恢复力FL电流片宽度l明显的扩散发生在εl部分图中仅显示众多波长中的一个波长355
图7.22 (a)σ→∞,稳定位形;(b)σ.=∞,磁扩散;(c)σ.=∞,磁耗散,重联364
图7.23 撕裂模的色散关系ω=ω(k)(kl1,l是电流片的半宽度)Lu是Lundquist数371
图7.24 电流对流不稳定性(current convective instability)的形变增长372
图7.25 流体Kelvin-Helmholtz不稳定性374
图7.26 磁流体Kelvin-Helmholtz不稳定性378
图8.
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