無碰撞激波中的離子動(dòng)力學(xué)與結(jié)構(gòu)演化.pdf

1、無碰撞激波是宇宙空間中常見的物理現(xiàn)象，并且是有效的高能粒子加速器，特別是在宇宙中的大尺度高強(qiáng)度的無碰撞激波可以將帶電粒子加速到相當(dāng)高的能量，形成銀河宇宙射線、異常宇宙射線等等。在本文中，利用二維混合模擬研究了準(zhǔn)垂直激波和準(zhǔn)平行激波中波動(dòng)的激發(fā)、結(jié)構(gòu)的演化和粒子動(dòng)力學(xué)過程。具體結(jié)論如下:
　　1.低馬赫數(shù)準(zhǔn)垂直激波情形下游粒子環(huán)狀速度分布
　　低馬赫數(shù)準(zhǔn)垂直激波情形下，上游質(zhì)子穿越激波面后會(huì)形成環(huán)狀速度分布，環(huán)狀速度分布所帶來

2、的平均速度的擾動(dòng)，使得磁場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)來保證總壓力平衡。我們利用二維混合模擬得到了這樣的結(jié)果，并同時(shí)加入了4％的氦離子，來研究氦離子的環(huán)狀速度分布對(duì)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。發(fā)現(xiàn)由于粒子數(shù)比較小，氦離子并沒有對(duì)質(zhì)子的環(huán)狀速度分布和磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)帶來明顯的影響;并且，由于氦離子的荷質(zhì)比較小，氦離子在速度相空間中的環(huán)狀速度分布的半徑要比質(zhì)子的大，同時(shí)持續(xù)的時(shí)間要比質(zhì)子的更久。
　　2.準(zhǔn)垂直激波下游波動(dòng)和粒子速度分布的演化
　　利用二維混

3、合模擬，我們研究了準(zhǔn)垂直激波下游波動(dòng)的激發(fā)。低馬赫數(shù)激波情形下，質(zhì)子和氦離子穿越激波面之后均會(huì)在相空間中形成環(huán)狀速度分布;質(zhì)子的環(huán)狀速度分布很快被磁場(chǎng)的擾動(dòng)所破壞，不能激發(fā)離子回旋波;而對(duì)于氦離子，其破壞過程較慢，直到較遠(yuǎn)的下游，氦離子才開始激發(fā)回旋波，這些波動(dòng)將氦離子自身散射成為球殼狀速度分布，并最終散射成為雙麥克斯韋分布;質(zhì)子和氦離子的等離子體β較小，所以沒有磁鏡波的激發(fā)。中等馬赫數(shù)激波情形下，質(zhì)子和氦離子穿越激波面后同樣出現(xiàn)了環(huán)狀

4、速度分布，同時(shí)也出現(xiàn)了少量的反射質(zhì)子;質(zhì)子和氦離子均在激波面下游激發(fā)了離子回旋波，但是質(zhì)子是從激波面就開始激發(fā)離子回旋波，而氦離子直到較遠(yuǎn)的下游才開始激發(fā)離子回旋波，這些波動(dòng)將氦離子散射成為了球殼狀速度分布，并最終散射成為了雙麥克斯韋分布;同樣由于較小的等離子體β，并沒有磁鏡波的激發(fā)。高馬赫數(shù)激波情形下，質(zhì)子和氦離子也同樣出現(xiàn)了環(huán)狀速度分布，但是很快即被破壞掉，同時(shí)也出現(xiàn)較大比例的反射粒子;質(zhì)子和氦離子均從激波面即開始激發(fā)離子回旋波;氦

5、離子也同樣在下游被散射成為了球殼狀速度分布，并最終被散射成為了雙麥克斯韋分布，但是卻不能肯定是來自氦離子激發(fā)的離子回旋波的貢獻(xiàn)，即不能肯定氦離子激發(fā)的離子回旋波在下游是占主導(dǎo)的;粒子在下游加熱較快，等離子體β增長也較快，下游有磁鏡波的激發(fā)。
　　3.二維準(zhǔn)平行激波中的粒子動(dòng)力學(xué)和下游高速流的產(chǎn)生
　　準(zhǔn)平行激波中運(yùn)動(dòng)到上游的反射粒子與上游入射粒子相互作用可以激發(fā)上游低頻波動(dòng)。這些上游波動(dòng)會(huì)與激波面相互作用，使得激波面變得并不

6、平整，即布滿了漣漪。上游波動(dòng)，或者說漣漪，使得沿著激波面的重構(gòu)過程并不協(xié)調(diào)統(tǒng)一，同時(shí)也使得沿激波面的粒子動(dòng)力學(xué)過程也變得不同。在激波面漣漪的兩側(cè)，由于電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的不同，粒子動(dòng)力學(xué)過程也不同，在漣漪的下半側(cè)，會(huì)有較多的粒子被反射和加速，而在漣漪上半側(cè)，粒子更傾向于直接穿越激波面，并形成下游冷的高速粒子束流。并且，從我們?cè)敿?xì)研究了我們模擬中出現(xiàn)的下游高速流，發(fā)現(xiàn)模擬中出現(xiàn)的下游高速流與地球舷激波磁鞘中觀測(cè)到的高速流的特征是相似的。
　

7、　4.二維準(zhǔn)平行激波中的粒子加速過程
　　利用二維混合模擬，我們發(fā)現(xiàn)，被激波反射的粒子首先會(huì)緊貼激波面運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)被加速，這是第一階段的加速;之后，粒子獲得了較大的能量，可以到達(dá)靠近激波面的上游，并被束縛在上游波動(dòng)和激波面之間被加速，這是第二階段的加速。經(jīng)過兩個(gè)加速階段，部分粒子運(yùn)動(dòng)到激波遠(yuǎn)下游，部分運(yùn)動(dòng)到遠(yuǎn)上游。還有部分粒子可經(jīng)歷第三個(gè)階段的加速過程，即粒子在上下游波動(dòng)之間來回彈跳并被加速，這一加速過程類似激波擴(kuò)散加速;經(jīng)過三個(gè)