摘要:宇宙中超过99.9%的可见物质处于等离子体状态, 等离子天体物理是天体物理的重要分支, 为理解天体系统的形成、演化及爆发现象提供着重要的理论基础. 专辑通过14篇文章系统介绍了中国科学院紫金山天文台等离子天体物理团队在太阳和太阳系等离子体方面的研究成果, 希望能帮助读者全面了解太阳与日球等离子体物理研究的重要进展及存在的问题.

摘要:现代科学表明宇宙中99%以上的可观测物质都处于等离子体状态, 从小尺度的 微观粒子动力学集体过程与能量转换机制到大尺度的宇宙等离子天体结构状态与爆发活动 现象, 都是等离子天体物理学的研究课题. 从宇宙演化历史、大尺度结构形成以及爆发活 动现象等方面, 系统地论述了等离子天体物理学在现代天文学发展以及现代等离子 体宇宙观形成中的重要作用. 同时, 结合空间卫星科学探测研究及其对现代天文学的巨大 影响, 进一步阐述了地球磁层和日球层等空间等离子体实地探测研究在等离子天体物理学 研究中所扮演的“天然实验室”的独特作用.

摘要:磁云因其独特的磁场结构经常是重大灾害性空间天气的驱动源. 近来从磁云的边界层结构、环向通量、大尺度结构等方面关于磁云传播的动力学演化过程的研究取得了一些进展. 在磁云边界存在一个由于磁场重联而形成的边界层结构. 在磁云传播过程中, 这种发生在边界处的磁场重联可能会把磁云的磁场剥蚀掉, 进而引起其磁通量绳结构环向通量的减少以及不对称. 在磁云内部, 经常会观测到多个子通量绳结构. 这些特性各异的子通量绳可以通过磁场重联而合并, 进而引起磁云磁结构的改变. 关于磁云大尺度磁场拓扑位形的演化机制, 除了较早提出的交换重联外, 目前的研究表明在行星际空间中, 磁云边界处的重联过程也可以将磁云闭合或半开放的磁场线打开或断开. 尽管在相关研究中已经取得了较大进展, 但关于磁云传播的动力学演化过程还有许多问题尚不清楚. 在行星际小尺度磁通量绳边界也发现了边界层结构, 那么磁云是否会因剥蚀而成为小尺度通量绳? 磁云内子通量绳结构在相互作用中会不会引起某些不稳定性而导致整个通量绳系统的崩溃? 这些问题的解决还有待于进一步的理论、观测和数值模拟研究.

摘要:太阳风源自太阳大气, 在行星际空间传播过程中被持续加热, 然而究竟是何种能量加热了太阳风至今未研究清楚. 太阳风普遍处于湍动状态, 其湍动能量被认为是加热太阳风的重要能源. 然而, 太阳风湍流通过何种载体、基于何种微观物理机制加热了太阳风尚不明确, 这是相关研究的关键问题. 将回顾人类对太阳风加热问题的研究历史, 着重介绍近年来我国学者在太阳风离子尺度湍流与加热方面取得的研究进展, 展望未来在太阳风加热研究中有待解决的科学问题和可能的研究方向.

摘要:动力学阿尔文波是垂直波长接近离子回旋半径或者电子惯性长度的色散阿尔文波. 由于波的尺度接近粒子的动力学尺度, 动力学阿尔文波在太阳和空间等离子体加热、加速等能化现象中起重要作用. 因此, 动力学阿尔文波通常被认为是日冕加热的候选者. 本研究工作深入、系统地调研了太阳大气中动力学阿尔文波的激发和耗散机制. 基于日冕等离子体环境, 介绍了几种常见的动力学阿尔文波激发机制: 温度各向异性不稳定性、场向电流不稳定性、电子束流不稳定性、密度非均匀不稳定性以及共振模式转换. 还介绍了太阳大气中动力学阿尔文波的耗散机制, 并讨论了这些耗散机制对黑子加热、冕环加热以及冕羽加热的影响. 不仅为认识太阳大气中动力学阿尔文波的驱动机制、动力学演化特征以及波粒相互作用提供合理的理论依据, 而且有助于揭示日冕等离子体中能量储存和释放、粒子加热等能化现象的微观物理机制.

摘要:太阳风中的电磁离子回旋(Electromagnetic Ion Cyclotron, EMIC)波自报道以来, 受到了广泛的关注和研究. 由于波的频率接近质子的回旋频率, EMIC波可以通过回旋共振波粒相互作用将波能传递给离子, 并在太阳风粒子加热和加速等能化现象中发挥重要作用. 总结了太阳风中EMIC波的观测和理论研究进展, 包括EMIC波在磁云内外、磁云和行星际日冕物质抛射鞘区中的观测研究得到的一系列结果以及基于观测进行波的激发机制所取得的研究进展, 并展望未来研究太阳风中EMIC波的突破方向.

摘要:电子是太阳风粒子中最为重要的组分之一, 它可以通过多种机制对太阳风产生影响. 太阳风中的电子通常具有温度各向异性和束流两种非热平衡分布特征, 这些偏离热平衡分布的特征可以通过波粒相互作用激发电子不稳定性和等离子体波动, 激发的等离子体波动又可以通过波粒相互作用调制太阳风粒子的分布, 从而加热太阳风中的背景粒子. 因此电子动力学不稳定性在太阳风的演化过程中扮演了极为重要的角色. 详细介绍了太阳风中常见的电子动力学不稳定性, 并基于等离子体动力论, 详细介绍太阳风传播过程中所出现的各种不稳定性, 尤其是在近日球层和太阳大气区域所出现的电子声热流不稳定性以及低混杂热流不稳定性, 并分析其波粒相互作用机制, 以便更加深入地研究太阳风传播过程中的电子分布函数演化.

摘要:太阳风的演化过程是空间物理研究中的重要课题, 高频静电波因与太阳风粒子的分布息息相关而受到广泛关注. 最新的帕克太阳探测器(Parker Solar Probe, PSP)在近日太阳风(日心距离$r<0.3$AU)中观测到多种高频静电波动, 为研究近日太阳风中波粒相互作用提供了新机遇. 介绍了近日太阳风中高频静电波的观测现状, 总结了各类波动的观测特征, 包括已知波动模式的宽带离子声波、电子伯恩斯坦波和多种未知模式的静电波, 梳理了各个波动可能的激发方式或自由能来源, 并对未来可能的工作方向进行了展望.

摘要:离子回旋波(Ion Cyclotron Wave, ICW)是指频率接近离子回旋频率的一种等离子体波, 它在火星上游广泛存在, 卫星观测到的频率多在质子回旋频率附近. ICW是拾起离子时的副产物, 成为新生行星质子存在的间接标志. 火星上游ICW自1990年首次报道以来, 受到广泛的关注. 总结了火星上游ICW的研究进展, 包括ICW事件的观测、ICW的产生机制、统计性质以及将来的研究趋势.

摘要:太阳射电爆发(Solar Radio Burst, SRB)是太阳高能电子与背景等离子体相互作用产生的感应辐射现象, 其多样的动力学谱类型及其复杂的精细结构反映了辐射源区磁等离子体结构状态丰富的物理信息, 而相关 辐射机制则是解读相关物理信息的关键工具. 长期以来, 在SRB辐射机制的研究中一直存在着争议不决的 两种主要机制, 即等离子体辐射机制和电子回旋脉泽(Electron Cyclotron Maser, ECM)辐射机制. 近年来, 针对传统的ECM辐射机制 应用到SRB现象时遇到的一些主要困难, 发展了由幂律谱电子低能截止驱动和包含快电子束自生阿尔文 波效应的新型ECM驱动模型, 并成功应用于解释各类不同SRB动力学谱的形成 机制. 基于这些新型的ECM辐射模型, 系统地总结了ECM辐射机制在各种不同类型SRB现象中的应用, 并对它们不同动力学谱结构的形成给出了一致统一的物理解释.

摘要:日球边界射电辐射是太阳系最强的射电辐射现象, 辐射功率至少达10¹³W, 能够提供日球边界附近高能电子束和背景磁等离子体结构的重要物理信息. 自1983年旅行者号卫星首次探测到日球边界射电辐射后, 其便受到研究者们的广泛持续关注. 日球边界射电辐射大致有两类: 辐射频率相对较高的瞬时辐射或称漂移辐射以及辐射频率相对较低的持续辐射或称非漂移辐射. 通常两类辐射都从大约2kHz开始, 漂移辐射具有向高频率漂移的特征, 频漂率约为1--3kHz/yr, 频率范围1.8--3.6kHz, 持续时间较短大致100--300 d; 非漂移辐射没有明显的频率漂移, 频率范围1.8--2.6kHz, 持续时间较长大致3 yr. 目前普遍认为日球边界射电辐射与激波有关. 介绍了该射电辐射可能的辐射产生源区、辐射物理机制以及与辐射相关的激波来源, 并且讨论了尚存在的科学问题以及展望了未来可以进一步开展的研究.

摘要:射电辐射机制, 尤其是射电暴发现象的相干辐射机制, 是天体物理中最复杂、争议最多的电磁辐射机制. 由于受到多重物理因素相互牵连的复杂影响, 相干射电辐射机制的理论研究存在很大的难度, 长期以来在等离子体辐射和电子回旋脉泽辐射这两类相干辐射机制间争议一直不断. 近年来, 人们开始尝试将粒子数值模拟方法应用于相干射电辐射机制的研究, 并已经取得了一些积极的进展. 本文将着重介绍近年来的粒子模拟研究工作及其取得的主要进展, 并对现存的一些问题和困难进行简要评述.

摘要:与太阳射电爆发相比, 通常认为频率较低的行星际射电爆发产生于远离低日冕的行星际空间. 地球电离层的截止导致地基设备无法对其进行观测. 美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)发射的帕克太阳探测器(Parker Solar Probe, PSP)是迄今为止距离太阳最近的空间探测器. 其搭载的射电频谱仪能够对10kHz--19.17MHz频段范围内的射电辐射进行观测. PSP能够靠近甚至可能穿越行星际III型射电爆发的辐射源区, 因此使用PSP对行星际射电爆发进行观测具有前所未有的优势. 简要介绍了目前为止使用PSP的射电观测数据对行星际III型射电爆发的多方面研究, 包括爆发的发生率、偏振、散射、截止频率、可能的辐射机制和相关的辐射源区等方面的研究进展, 并讨论了其未来的研究前景.

摘要:在无碰撞等离子体中, 波粒相互作用会引起电磁场与粒子之间能量转移, 其结果之一是重塑粒子速度分布函数. 因而, 如何定量化波粒相互作用是日球层和天体等离子体研究中的一个基础问题. 近年来, 在定量化波粒相互作用问题的研究中, 取得了很多重要成果. 将主要介绍相关理论研究上的进展, 特别是, 将重点介绍新近提出的度量共振和非共振波粒相互作用的理论方法. 还将介绍该方法在度量内日球层阿尔文模式波、质子束流不稳定性和电子热流不稳定性中波粒相互作用上的应用.

摘要:无碰撞磁场重联作为一种将磁能有效转化为等离子体动能和热能的机制, 已经被广泛应用于解释太阳耀斑、地球磁暴等各类等离子体的爆发活动. 然而, 在无碰撞重联区中反常电阻的微观物理机制仍然是尚未解决的基本问题. 在众多反常电阻的形成机制中, 基于磁零点附近粒子轨道混沌性产生的混沌感应电阻, 虽然不是最普遍流行的形成机制, 但它的微观物理图像却是最为清晰的. 回顾了无碰撞重联区中混沌感应电阻的早期研究和基本理论模型, 介绍了关于混沌感应电阻研究的新进展并阐述了混沌感应电阻未来的研究方向.