基础空间等离子体物理学-上册.ppt

1、中国科学院研究生院中国科学院研究生院基础空间等离子体物理学基础空间等离子体物理学(上册上册)陈涛编写陈涛编写20102010，2 2本课程讲义分上、下两册本课程讲义分上、下两册,由由pptppt文件直接打印装订成册文件直接打印装订成册.上册由陈涛编写上册由陈涛编写,内容包括内容包括:导论导论 等离子体的基本概念等离子体的基本概念第一部分第一部分 单粒子轨道理论单粒子轨道理论 下册由刘永编写下册由刘永编写,内容包括内容包括:第二部分第二部分 磁流体力学理论磁流体力学理论第三部分等离子体动理学理论第三部分等离子体动理学理论注注1 1：plasmaplasma一词在物理学领域翻译成等离子体（大陆学者

2、）一词在物理学领域翻译成等离子体（大陆学者），或电浆（台湾学者）。，或电浆（台湾学者）。注注2 2：以前一些书刊中把：以前一些书刊中把kinetic theorykinetic theory翻译成翻译成动力论动力论，容，容易混淆易混淆dynamicdynamic和和kinetickinetic两词的物理区别。两词的物理区别。Dynamic(Dynamic(动力动力的的)一词用在描述与力有关的过程，而一词用在描述与力有关的过程，而kinetickinetic描述与粒子描述与粒子运动速度有关的过程。为了区分它们，后来国家标准词条运动速度有关的过程。为了区分它们，后来国家标准词条把把kinetic

3、theorykinetic theory重新翻译成重新翻译成动理学理论动理学理论，简称，简称动理论动理论。本课程中我们采用本课程中我们采用动理学理论（或动理论）动理学理论（或动理论）的翻译名称。的翻译名称。主要参考书目录：主要参考书目录：1 W.Baumjohann and R.A.Treumann,Basic Space Plasma Physics,Imperial College Press,19972 R.A.Treumann and W.Baumjohann,Advanced Space Plasma Physics,Imperial College Press,19973 G.K.

4、Parks,Physics of Space Plasmas:An Introduction,Second Edition:Westview Press,A Member of the Perseus Books Group，20044 Paul M.Bellan,Fundamentals of Plasma Physics,Cambridge University Press,20065 T.J.M.Boyd and J.J.Sanderson,The Physics of Plasmas,Cambridge University Press,20036 徐家鸾，金尚宪，徐家鸾，金尚宪，等离

5、子体物理学等离子体物理学，原子能出版社，原子能出版社，19817 国家自然基金委员会，国家自然基金委员会，等离子体物理学等离子体物理学，科学出版社，科学出版社，19948 胡希伟，胡希伟，等离子体理论基础等离子体理论基础，北京大学出版社，北京大学出版社，20069 李李 定定，陈陈银银华华，马马锦锦秀秀，杨杨维维紘紘，等等离离子子体体物物理理学学，高高等等教教育育出出版版社社，200610 康寿万，陈雁萍，康寿万，陈雁萍，等离子体物理学手册等离子体物理学手册，科学出版社，科学出版社，198111 吴望一，吴望一，流体力学流体力学，北京大学出版社，北京大学出版社，上册目录上册目录:导论导论 等离

6、子体的基本概念等离子体的基本概念3 3第一部分第一部分 单粒子轨道理论单粒子轨道理论 28 28第一章第一章 单粒子在外加电磁场中的运动单粒子在外加电磁场中的运动2828第二章第二章 捕获粒子捕获粒子5353第二部分第二部分 磁流体力学理论磁流体力学理论 70 70 第一章第一章 磁流体力学基本理论磁流体力学基本理论 71 71第二章第二章 等离子体波的磁流体理论等离子体波的磁流体理论 126 126第三章第三章 磁流体力学激波磁流体力学激波 189 189第四章第四章 磁流体力学磁流体力学不稳定性不稳定性 219 219第五章第五章 磁场重联（补充内容）磁场重联（补充内容）255 255 导

7、论导论 等离子体的基本概念等离子体的基本概念等离子体的定等离子体的定义等离子体物理研究的几个相对独立的领域等离子体物理研究的几个相对独立的领域等离子体物理研究的基本问题等离子体物理研究的基本问题等离子体物理的三种理论描述方法等离子体物理的三种理论描述方法等离子体的几个基本参数等离子体的几个基本参数碰撞碰撞等离子体等离子体电导率率等离子体的定等离子体的定义等离子体是由大量等离子体是由大量正、负电荷数相等的正、负电荷数相等的带电粒子组成的非凝聚带电粒子组成的非凝聚系统系统。等离子体状态是物质存在的基本形态之一等离子体状态是物质存在的基本形态之一，与固态、液态和气，与固态、液态和气态并列，称为态并列

8、，称为物质的第四态物质的第四态。宇宙中大部分物质处于等离子。宇宙中大部分物质处于等离子体状态，人造等离子体在科学技术中的重要性正在迅速提高。体状态，人造等离子体在科学技术中的重要性正在迅速提高。等离子体物理学研究等离子体的基本运动规律等离子体物理学研究等离子体的基本运动规律。等离子体的主。等离子体的主要特征是：要特征是：粒子间存在长程粒子间存在长程库仑（库仑（CoulombCoulomb）相互作用。等离）相互作用。等离子体的运动与电磁场的运动紧密耦合，存在极其丰富的集体子体的运动与电磁场的运动紧密耦合，存在极其丰富的集体效应（效应（collective effectcollective eff

9、ect）和集体运动模式）和集体运动模式。等离子体物理。等离子体物理学以等离子体的整体形态和集体运动规律、等离子体与电磁学以等离子体的整体形态和集体运动规律、等离子体与电磁场及其他形态物质的相互作用为主要研究对象。场及其他形态物质的相互作用为主要研究对象。与物质的另外三态相比，等离子体可以存在的参数范围异常宽与物质的另外三态相比，等离子体可以存在的参数范围异常宽广（其密度、温度和磁场强度都可以跨越十几个数量级）；广（其密度、温度和磁场强度都可以跨越十几个数量级）；等离子体的形态和性质受外加电磁场的强烈影响，并存在极等离子体的形态和性质受外加电磁场的强烈影响，并存在极其丰富的集体运动模式（如各种静

10、电波、漂移波、电磁波及其丰富的集体运动模式（如各种静电波、漂移波、电磁波及非线性的相干结构和湍流）；此外，等离子体对边界条件还非线性的相干结构和湍流）；此外，等离子体对边界条件还十分敏感。因此，等离子体性质的研究强烈地依赖于具体的十分敏感。因此，等离子体性质的研究强烈地依赖于具体的研究对象。研究对象。等离子体物理研究的几个相对独立的领域等离子体物理研究的几个相对独立的领域当今等离子体物理研究主要集中在以下几个相对独立的领域：当今等离子体物理研究主要集中在以下几个相对独立的领域：*热核聚变能源研究（高温碰撞等离子体）热核聚变能源研究（高温碰撞等离子体）*空间等离子体物理（低温无碰撞等离子体）空间

11、等离子体物理（低温无碰撞等离子体）和天体等离子体和天体等离子体物理（各种极端参数条件下的等离子体）物理（各种极端参数条件下的等离子体）*气体放电和电弧的工业应用（低温等离子体及其与物质相互气体放电和电弧的工业应用（低温等离子体及其与物质相互作用）作用）*强流带电粒子束的现代高科技应用（非中性等离子体及其与强流带电粒子束的现代高科技应用（非中性等离子体及其与强静电、电磁波场的相互作用）。强静电、电磁波场的相互作用）。空间等离子体物理学空间等离子体物理学：在日地空间和整个日层空间发生的在日地空间和整个日层空间发生的大多数物理过程是等离子体物理过程，对其中基础性的和共大多数物理过程是等离子体物理过程

12、，对其中基础性的和共同性的现象与规律的研究就形成了一门新的学科分支同性的现象与规律的研究就形成了一门新的学科分支空空间等离子体物理学。目前从整体上看它间等离子体物理学。目前从整体上看它主要还是研究日地及主要还是研究日地及日层空间中的等离子体物理现象。它既是等离子体物理学的日层空间中的等离子体物理现象。它既是等离子体物理学的一个分支，也是空间物理学的一个分支，是空间物理、太阳一个分支，也是空间物理学的一个分支，是空间物理、太阳物理和等离子体物理之间的交叉学科物理和等离子体物理之间的交叉学科，具有其独特的地位和，具有其独特的地位和作用。作用。等离子体物理研究的基本问题：等离子体物理研究的基本问题：

13、*等离子体平衡位形等离子体平衡位形 *波动和不稳定性波动和不稳定性 *电磁辐射电磁辐射 *弛豫和输运弛豫和输运等离子体物理的三种理论描述方法：等离子体物理的三种理论描述方法：单粒子（或试探粒子）单粒子（或试探粒子）轨道理论，磁流体力学理论，和动理学理论。轨道理论，磁流体力学理论，和动理学理论。*单粒子（或试探粒子）轨道理论单粒子（或试探粒子）轨道理论。它直接对大量带电粒子的集它直接对大量带电粒子的集合作轨道描述合作轨道描述，由于存在多粒子间的相互作用，此问题只能，由于存在多粒子间的相互作用，此问题只能用计算机求解。但在许多情况下，可以先用计算机求解。但在许多情况下，可以先忽略粒子间的相互忽略粒

14、子间的相互作用，把多体问题简化成单个试探粒子在给定的外加电磁场作用，把多体问题简化成单个试探粒子在给定的外加电磁场中的轨道运动中的轨道运动。这虽然是电动力学问题，但由于在日。这虽然是电动力学问题，但由于在日-地空间地空间或某些实验装置中的电磁场位形往往非常复杂，故又专门发或某些实验装置中的电磁场位形往往非常复杂，故又专门发展了一些有效的简化方法（如强磁场中的引导中心漂移近似，展了一些有效的简化方法（如强磁场中的引导中心漂移近似，高频电磁场中的振荡中心近似等），统称为高频电磁场中的振荡中心近似等），统称为单粒子（或试探单粒子（或试探粒子）轨道理论，是等离子体的一种近似理论粒子）轨道理论，是等离子

15、体的一种近似理论。在许多等离。在许多等离子体物理问题中，试探粒子的轨道描述往往可以对等离子体子体物理问题中，试探粒子的轨道描述往往可以对等离子体的行为作出更严格的零级近似。的行为作出更严格的零级近似。由于忽略了粒子间的相互作用，这种理论不能用来研究涉及波由于忽略了粒子间的相互作用，这种理论不能用来研究涉及波-粒子相互作用的现象，也不能揭示因粒子体系分布函数在速粒子相互作用的现象，也不能揭示因粒子体系分布函数在速度空间中偏离平衡态所引起的等离子体不稳定性度空间中偏离平衡态所引起的等离子体不稳定性。适用条件要求等离子体必须很稀薄。适用条件要求等离子体必须很稀薄。*磁流体力学理论磁流体力学理论。它把

16、等离子体当成导电流体来描述（单流体它把等离子体当成导电流体来描述（单流体力学），把不同种类的带电粒子（如电子和离子）分别用不力学），把不同种类的带电粒子（如电子和离子）分别用不同的导电流体来描述（双流体力学），它也是等离子体的一同的导电流体来描述（双流体力学），它也是等离子体的一种近似理论种近似理论。它适用于描述随时间和空间变化的一些等离子。它适用于描述随时间和空间变化的一些等离子体行为，如在给定的电、磁场中的平衡位形，低频的稳定的体行为，如在给定的电、磁场中的平衡位形，低频的稳定的集体运动（磁流体力学波）和不稳定的集体运动（宏观或磁集体运动（磁流体力学波）和不稳定的集体运动（宏观或磁流体力学不稳定性），双流体理论还可以描述高频波及各种流体力学不稳定性），双流体理论还可以描述高频波及各种粒子的输运过程。粒子的输运过程。由于它不考虑同一流体元中不同粒子间运动的差别，因而也不由于它不考虑同一流体元中不同粒子间运动的差别，因而也不能用来研究涉及波能用来研究涉及波-粒子相互作用的现象，不能揭示因粒子体粒子相互作用的现象，不能揭示因粒子体系分布函数在速度空间中偏离平衡态所引起的等离子体不稳系分布