太阳磁流体力学

目录前言第1章 太阳及其磁场简介11.1 磁流体力学11.2 发展简史11.3 太阳的基本参数31.4 太阳的分层结构31.5 宁静太阳、太阳活动区51.6 太阳磁场5第2章 磁流体力学的基本方程72.1 电磁方程72.1.1 Maxwell方程组72.1.2 欧姆定律92.1.3 感应方程152.1.4 电导率172.2 等离子体方程262.2.1 质量守恒262.2.2 运动方程262.2.3 完全气体定律322.3 能量方程322.3.1 能量方程的不同形式322.3.2 热传导352.3.3 辐射422.3.4 加热442.3.5 能量及其转换的物理过程492.4 总结512.4.1 假设512.4.2 方程的简化形式522.5 感应方程的求解532.5.1 扩散542.5.2 理想导电592.6 Lorentz力622.7 若干定理692.8 磁通管行为的总结742.9 电流片行为的总结802.9.1 电流片的形成过程822.9.2 电流片的性质82第3章 磁流体静力学843.1 静力学方程组843.2 磁场中的等离子体结构863.3 磁通管的结构(柱对称)893.3.1 纯轴向场913.3.2 纯环向场913.3.3 无力场943.4 无电流场1133.5 无力场1153.5.1 一般原理1163.5.2 简单的α=const解1203.5.3 常α无力场的一般解1253.5.4α不为常数(非线性)解1303.5.5 无力场的扩散1323.6 磁流体静力场134第4章 波1414.1 波的模式和基本方程1414.1.1 基本模式1414.1.2 基本方程1424.2 声波1454.3 磁波1464.3.1 剪切或扭转Alfvén波1484.3.2 压缩Alfvén波1534.4 内重力波1544.5 惯性波1624.6 磁声波1684.7 声-重力波1774.8 磁声-重力波(总结)1834.95 分钟振荡1894.10 不均匀介质中的波和磁界面的表面波190第5章 激波2065.1 激波的基本理论2065.1.1 流体力学激波的形成2065.1.2 磁场的作用2145.2 流体力学激波2155.3 磁流体力学激波2345.3.1 间断条件2345.3.2 接触间断2395.3.3 切向间断2405.3.4 旋转间断2405.3.5 激波二侧压强和密度的关系2425.3.6 快激波和慢激波2465.4 斜激波2495.4.1 跃变关系2495.4.2 快、慢激波小结2555.4.3 中间波2575.5 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2646.1 日冕的加热2646.1.1 色球和日冕的特征2666.1.2 色球环和日冕环以及观测特征2676.2 冕环模型的物理特征2706.2.1 冕环能量平衡的静态模型2726.2.2 压强均匀的环:定标定律2736.2.3 色球环和冕环的动力学模型2746.3 MHD波加热2836.3.1 边缘和足点驱动的共振吸收2836.3.2 均匀介质中Alfvén波的衰减2856.3.3 相位混合加热色球和日冕2866.4 磁重联加热2936.5 Alfvén波的非线性耦合2946.6 日冕加热研究的展望295第7章 不稳定性2977.1 分析方法2977.2 方程的线性化3007.3 简正模方法3047.4 能量原理3137.5 不稳定性例3297.5.1 交换不稳定性3297.5.2 撕裂不稳定性3477.5.3 电阻不稳定性3547.5.4 电流对流不稳定性3717.5.5 辐射驱动的热不稳定性3737.5.6 Kelvin-Helmholtz不稳定性374第8章 黑子3808.1 磁对流3808.1.1 物理效应3808.1.2 线性稳定性分析3868.1.3 磁通量的排挤及集中3958.2 磁浮力4098.2.1 定性描述4098.2.2 磁浮力不稳定4108.2.3 太阳磁通管的上升4318.3 黑子的冷却4338.4 黑子的平衡结构4368.4.1 磁流体静力学平衡4368.4.2 黑子的稳定性4478.5 黑子半影4538.6 黑子的演化4548.6.1 黑子的形成4548.6.2 黑子的衰减4608.7 强磁通管4638.7.1 细磁通管的平衡4648.7.2 强磁场不稳定性4668.7.3 针状体的产生4778.7.4 管波487第9章 发电机理论4989.1 磁场的维持4989.2 Cowling定理4999.2.1 无发电机定理4999.2.2 发电机效应简例——盘单极发电机5009.2.3 自持发电机的特性5029.3 运动学发电机5089.3.1 平均场和涨落场方程5089.3.2 一阶平滑近似5109.3.3 α效应和β效应5129.3.4 Braginsky的弱非轴对称理论5159.3.5 平均场电动力学，湍流发电机5179.3.6 平均场电动力学的α2发电机5279.3.7 发电机波5289.3.8 太阳活动周模型——α-ω发电机5369.3.9 α-ω发电机的发电机波5389.4 发电机理论的困难5449.5 将来需要研究的问题545第10章 太阳耀斑54610.1 磁重联的概述54610.2 重联概念的总观54610.3 二维零点54710.4 电流片的形成54710.5 磁重联54910.5.1 单向场54910.5.2 扩散区55110.5.3 Petscheck机制55410.6 简单磁环耀斑56810.6.1 磁通浮现模型56810.6.2 热不平衡57010.6.3 扭折不稳定性57210.6.4 电阻扭折不稳定性57510.7 双带耀斑57610.7.1 无力平衡解的存在及解的多重性57710.7.2 爆发不稳定性57810.7.3 主相:耀斑后环581第11章 日珥(暗条)58511.1 宁静日珥的观测特征58511.2 形成58711.2.1 活动区暗条在环中的形成59011.2.2 冕拱中形成的暗条59211.2.3 在电流片中形成的暗条59611.2.4 热不平衡59711.3 简单磁拱的静力学支撑60111.3.1 Kippenhahn-Schlüter模型60111.3.2 Kippenhahn-Schlüter的普遍模型60311.3.3 外场61311.3.4 磁流体力学稳定性61611.3.5 螺旋结构61711.4 对有螺旋场的磁位形的支撑62111.4.1 电流片的支撑62111.4.2 在水平场中的支撑62611.5 日冕瞬变现象62911.5.1 扭转环模型63111.5.2 无扭转环模型63811.5.3 数值模型64311.5.4 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*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*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*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