高马赫数无碰撞准平行激波中的离子加速

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无碰撞激波是空间物理、等离子体物理和天体物理中常见的现象，它可将太阳风粒子、新生离子和超新星爆发残留物加速到很高能量。因此，对无碰撞激波的研究对了解太阳高能粒子（SolarEnergeticParticles，SEPs）事件、异常宇宙射线(AnomalousCosmicRays，ACRs)、银河宇宙射线(GalacticCosmicRays，GCRs)具有重要的意义。空间观测、混合模拟和全粒子模拟都表明，超临界准平行激波是非稳态的，即在高MA情况下，激波面会出现重构现象:在老的激波面之前形成一个新的激波面。本文从电磁场形态以及离子相空间研究了非稳态超临界准平行条件下的激波演化过程，以及激波对离子加速的影响，得到了一些结果:
　　 1.非稳态平行激波的演化
　　利用一维混合模拟研究了非稳态、超临界准平行激波条件下的电磁场与离子相空间分布演化。结果表明，在重构开始阶段，激波面磁场梯度急剧增加，紧接着产生一束冷的反射离子束流，很快反射离子束流在相空间被散射，随即消失;与此同时，上游波动被上游入流带回激波面，并与激波合并，直到完整进入激波;至此一个激波重构周期结束。激波重构的结果是在老的激波面之前产生了一个新的激波面。在重构过程中，激波面处的法向电场也是非稳态的，总的来说在重构开始阶段法向电场较后期强。另外，由于上游波动的影响，激波的局地位形也发生周期性的改变:在重构刚开始阶段为准平行位形，而在后期为准垂直位形。
　　 2.在超临界非稳态准平行激波条件下的质子行为及加速机制
　　通过将上游入流粒子分成直接穿过的H+(B(H+)）、先反射-后立即穿过的H+（G（H+））和反射后逃逸到激波上游的H+（R（H+））的方法详细研究了非稳态准平行激波条件下的H+的行为特征。其中B（H+）直接穿过激波到下游，其能量降低，作为下游离子分布的冷核一直留在激波下游;R(H+)和G（H+）最初都来自反射离子束流，前者集中在反射离子束流前端（即在重构早期，激波局地位形为准平行时反射的离子束流），而且在重构结束后能量普遍提升两倍以上;而G（H+）集中在反射束流后端（大多是在激波局地位形为准垂直时被反射的离子），其能量经过激波重构有所增加。激波演化后期，G（H+）基本一直停留在激波下游，最终成为下游热离子成分，只有少数的G（H+）在首次穿过激波后很快又回游到了上游;R（H+）最终成为扩散离子，在模拟后期的上下游都存在。在对R（H+）追踪后发现，其在激波重构周期中被加速度的机制是激波漂移加速，即R（H+）被首次反射至上游时，由于受到激波面处的磁场梯度，正好沿着运动电场的方向梯度漂移，从而被加速。
　　 3.在超临界非稳态准平行激波条件下的氦离子行为及加速机制
　　在激波电磁场中置入的He2+试验粒子，对其离子轨迹进行大量的跟踪，结果表明，He2+也分为三种，即直接穿过的He2+(B(He2+)）、先反射-后立即穿过的He2+(G(He2+)）和反射后逃逸到激波上游的He2+(R(He2+)）。这三种He2+与三种H+一一对应。He2+扩散离子也来源于最初的反射束流，并由激波漂移加速机制预加速逃离激波，后期可以被捕获在上游波动和激波之间并被上游波动中的运动电场加速。由进一步具体分析得知，He2+与H+的反射机制不同。H+由激波面法向电场反射，而He2+由激波面处的强的磁场反射。就反射比例而言，He2+比H+更容易反射，在反射离子束流中含有更多的He2+离子。
　　 4.扩散离子来自R(H+orHe2+)离子分布，也是最初来自反射离子束流中的离子成分。模拟中很少有下游的热离子逃逸到激波上游。

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作者
苏彦青;
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作者单位

中国科学技术大学;

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授予单位中国科学技术大学;
学科空间物理
授予学位硕士
导师姓名陆全明;
年度 2012
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类激波（冲击波）;
关键词
无碰撞准平行激波; 激波重构; 扩散激波加速; 激波漂移加速; 离子成分;

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