太陽風中等離子體波動的觀測研究

張超超

摘 要：等離子體波活動的激發和增強是太陽風等離子體中各種不穩定性及動力學過程引起的，同時波粒相互作用、波波非線性相互作用直接影響等離子體的粒子分布以及能量狀態，因此太陽風中等離子體波動的觀測為行星際中重要的基礎等離子體物理過程，如質子加熱、磁重聯過程、行星際激波對粒子加速以及太陽II型、III型射電的激發機制等提供了重要的實時診斷信息。

關鍵詞：等離子體；玻粒作用；太陽風；波動

0引言

太陽風中等離子體波動（包括射電）的實時觀測及理論解釋一直是空間物理研究的一個熱點。一方面，在整個太陽系中太陽風作為一種無碰撞等離子體，等離子體波活動在能量、動量傳輸和轉換過程中扮演著重要角色，起著一種類似于普通流體中碰撞的作用。太陽射電的觀測與太陽爆發活動包括CME、耀斑及太陽能量粒子事件（SEP）等密切相關，弄清楚射電的物理機制及傳播機制以及與爆發活動的關系則可利用常規射電觀測對太陽爆發活動的產生和傳播過程進行預報，從空間天氣預報的角度這方面的研究具有很強的應用價值。下面簡單介紹一些近年來太陽風中等離子體波動觀測上的一些研究內容以及我們分析磁云邊界層內部朗繆爾波活動的初步結果。

1太陽風中等離子體波動的觀測

迄今為止很多日球層探測衛星譬如Pioneer 8，Pioneer 9，Helios 1&2，Voyager 1&2，ISEE-3，WIND，Ulysses等搭載的等離子體波動觀測儀器給出了內日球層、1AU附近及外日球層黃道面內和日球層高緯區域的觀測現象。不同的衛星觀測到的波動模式基本上相同，只是隨著探測技術的提高以及多衛星聯合觀測的開展，很多新的現象以及波動的精細結構才被人們逐步發現。表1列舉了太陽風中存在的波模及其頻率范圍和可能的激發機制。其中，f 為飛船觀測到的波動頻率，fpi、fpe、fce和fLHR分別為離子等離子體頻率、電子等離子體頻率、子回旋頻率及低混雜共振頻率。

在太陽風中探測到的最普遍的波模是頻率介于離子等離子體頻率和電子等離子體頻率之間（fpi< f 1而觀測到，在磁云外則因為Te/Tp<1而不被觀測到。Osherovich and Burlaga （1997） 分析Ulysses飛船于4.64AU的觀測資料時也發現離子聲波可在磁云中被觀測到，而在磁云外面則觀測不到。Mac Dowall et al.（1996a）分析Ulysses飛船于1991–1995年期間高（±80?）極冕洞中的波活動，也發現了此種特征頻率的離子聲波活動，但是其電子與質子的溫度比總有Te/Tp<1，所以他們認為這種波活動有可能不是離子聲波而是其它的什么波模。Gary and Omidi（1987）出Te/Tp<1情況下當離子束流溫度相對離子核心溫度比較低時，離子–離子聲不穩定性可能存在，這里可以作為解釋在Te/Tp比較小時離子聲波沒有被強阻尼的原因。

太陽風中另外一個顯著波活動現象是發生在電子等離子體頻率附近的朗繆爾波爆發現象。相對于背景熱噪聲，朗繆爾波爆發強度比較高，但是在太陽風中很少被觀測到。現在最為普通接受的觀點是朗繆爾波爆發是由電子束流或起源于太陽或行星際加速的高能電子引起的雙流不穩定性激發的。來源于太陽耀斑加速的高能電子沿磁力線進入行星際空間在太陽風等離子體中激發頻率為局地等離子體頻率的朗繆爾波，朗繆爾波通過熱離子散射或者與低頻波聚合可以轉化為逃逸的橫波輻射，即我們觀測的III型射電.由于隨著日心距的增加，等離子體密度逐漸減小，電子在傳播過程中激發的朗繆爾波頻率逐漸減小，所以表現出III型射電的頻率漂移特性.這種III型射電相關聯的朗繆爾波爆發事件經常被觀測到，被用于解釋 III 型射電的激發機制.但是也有一些朗繆爾波爆發不伴隨 III 型射電，這可能與行星際局地加速的電子引起的，如行星際激波加速的電子或者磁場重聯過程中被加速的電子。

2進一步研究內容

在太陽風中觀測到的波模還包括低頻的哨聲波，低混雜波等等，一直以來有很多研究者致力于理論上研究等離子體的相關不穩定性如何激發這些波模。Moullard et al. （2001）利用WIND飛船WAVES的觀測數據證認了一個磁云中的哨聲波和朗繆爾波爆發同時被觀測到的事件，認為其中超熱電子可能源于在磁云與鄰近行星際磁場間的重聯點處被加速的電子.Lin et al. （1995a）報道了在磁洞中經常觀測到朗繆爾波爆發，同時一部分這種朗繆爾波爆發伴隨著多普勒漂移離子聲波和低于電子回旋頻率的哨聲波。這也是近年來Ulysses飛船觀測到的太陽風中等離子體波活動的重要的新現象之一。近十年來新的衛星波活動探測儀器發現的這些新現象，為基礎等離子體理論提出了新的課題和挑戰，如：離子聲波在Te/Tp<1時仍然能被觀測到，是什么類型不穩定性激發這種波模，為什么沒有被強阻尼？磁洞內部的朗繆爾波的激發機制是什么？其中離子聲波、哨聲波經常伴隨朗繆爾波出現，他們之間非線性相互作用及因果關系是什么樣的？等等，這些都值得開展更深入的研究。

參考文獻：

[1]Gosling， J. T.， Coronal mass ejections and magnetic flux ropes in interplanetary space， inPhysics of Flux Ropes， Geophysical Monograph Series， vol. 58， edited by C. T. Russell，E. R. Priest， and L. C. Lee， pp. 343–364， American Geophysical Union， Washington DC，1990.

[2]Moullard， O.， D. Burgess， C. Salem， A. Mangeney， D. E. Larson， and S. D. Bale， Whistlerwaves， Langmuir waves and single loss cone electron distributions inside a magneticcloud： Observations， J. Geophys. Res.， 106， 8301–8314， 2001.