空间等离子体课件

Outline:n等离子体的定义nDebye长度和等离子体的特性n空间等离子体n单个带电粒子的运动n回旋波nGuidingcentermotionn磁矩守恒量n磁镜效应nTrappedparticlesn辐射带n电离层n极光的产生n磁冻结效应nKinetictheory简介nMHD简介12等离子体n等离子体的定义:由由自由电子和自由离子组成的集合体（气体），自由电子和自由离子组成的集合体（气体），其正负电荷数目相同。在平均作用的意义上，等离子体对其正负电荷数目相同。在平均作用的意义上，等离子体对外呈现电中性。外呈现电中性。等离子体的直接特性：等离子体的直接特性：自由离子和自由电子占主导地位自由离子和自由电子占主导地位（即带电粒子所受到的势能远小于粒子热（即带电粒子所受到的势能远小于粒子热运动的动能），随机的热运动克服库仑势。运动的动能），随机的热运动克服库仑势。3PropertyGasPlasmaElectrical ConductivityVery lowAirisanexcellentinsulatoruntilitbreaksdownintoplasmaatelectricfieldstrengthsabove30kilovoltspercentimeter.Usually very highFormanypurposes,theconductivityofaplasmamaybetreatedasinfinite.Independently acting speciesOneAllgasparticlesbehaveinasimilarway,influencedbygravityandbycollisionswithoneanother.Two or threeElectrons,ions,protonsandneutronscanbedistinguishedbythesignandvalueoftheirchargesothattheybehaveindependentlyinmanycircumstances,withdifferentbulkvelocitiesandtemperatures,allowingphenomenasuchasnewtypesofwavesandinstabilities.Velocity distributionMaxwellianCollisionsusuallyleadtoaMaxwellianvelocitydistributionofallgasparticles,withveryfewrelativelyfastparticles.Often non-MaxwellianCollisionalinteractionsareoftenweakinhotplasmasandexternalforcingcandrivetheplasmafarfromlocalequilibriumandleadtoasignificantpopulationofunusuallyfastparticles.InteractionsBinaryTwo-particlecollisionsaretherule,three-bodycollisionsextremelyrare.CollectiveWaves,ororganizedmotionofplasma,areveryimportantbecausetheparticlescaninteractatlongrangesthroughtheelectricandmagneticforces.http:/en.wikipedia.org/wiki/Plasma_%28physics%294Seehttp:/en.wikipedia.org/wiki/Plasma_%28physics%29Plasmalamp分离的正离子和电子是否会在电场力的库仑相互作用下结合成电中性原子或者分子？频繁的带电粒子碰撞对等离子体的影响是什么？5什么样的条件使得等离子体稳定存在？1.保持电中性2.自由粒子的存在3.发生碰撞的几率低6德拜屏蔽(DebyeShielding)等离子体存在一个特征长度，在此特征长度以外，带电粒子间库仑势场因为屏蔽效应迅速减弱。这个特征长度定义为Debyelength。7DebyeLength由温度和带电粒子的密度共同决定8DebyeandCoulombpotential库仑势德拜势9德拜屏蔽(DebyeShielding)统计物理指出自由粒子在相空间*的分布大致如下：*相空间指（vx,vy,vz,rx,ry,rz）组成的坐标空间10解Poisson方程11德拜长度的快速估算DebyeLengthincmTeinkn0incm-312研究对象尺寸要求保持等离子体电中性13典型的德拜长度PlasmaDensitne(m-3)Electron temperatureT(K)MagneticFieldB(T)DebyeLengthD(m)Solar core1032107-1011Tokamak102010810104Gas discharge1016104-104Ionosphere1012103105103Magnetosphere107107108102Solar wind10610510910Interstellar medium105104101010Intergalactic medium1106-105http:/en.wikipedia.org/wiki/Debye_length#Debye_length_in_silicon14DebyelengthvsspacecraftnSpacecraftpotential光电子效应产生的电荷15Debyesphere德拜球的定义如下：ND讨论了自由带电粒子的中的“自由问题”1617如何联系自由带电粒子和ND？库仑势能远小于粒子热运动的动能考虑极限条件下：于是：18Plasmafrequency+-Possibleelectronplasmaoscillation19单个电子的运动方程整理后：Harmonicoscillatorequation20谐振子方程的特征频率等离子体对碰撞的限制21RelationshipbetweenPlasmaFrequency,Debyelength,andthermalspeed22散射问题（碰撞）n和电中性粒子的碰撞n和带电粒子的碰撞23碰撞频率HotPlasmaiscollisionless24研究对象是否是等离子体的判据总结nDebyeshieldingnFreechargedparticlenLesscollisionwithneutral25等离子体中的量子效应？HeisenbergsuncertaintyprincipleLHS:Theboundaryofclassicalandquantumregime26空间中的等离子体n太阳风n磁层n辐射带n电离层空间等离子体的典型参数n太阳风：ne=5cm-3,Te=105k,B=5nTn磁层-辐射带：ne=1cm-3,Te=107k,B=100-1000nTn磁层磁尾：ne=10-2cm-3,Te=105k,B=30nTn电离层：ne=105cm-3,Te=103k,B=104nT2728Quiz 31.1.何为何为“等离子体等离子体”？2.2.为什么太阳风等离子体能够保持电离状态而不为什么太阳风等离子体能够保持电离状态而不会发生离子和电子的复合？会发生离子和电子的复合？3.3.1AU1AU处太阳风质子热速度为处太阳风质子热速度为35km/s35km/s，试推算太阳，试推算太阳风质子温度。风质子温度。29研究等离子体的方法n单粒子运动n流体力学的方法（Magnetohydrodynamics）nKinetictheory30单个带电粒子的运动n库仑力和洛仑兹力31回旋运动n受洛仑兹力影响的带电离子的运动方程假设在均匀磁场中32CyclotronFrequencyn有磁场存在的等离子体33带电粒子回旋运动的轨迹CyclotronFrequency(gyrofrequency)Note:gyroradius34Guidingcenterandpitchangle(俯仰角)35DriftmotionElectricDrift36其它几种漂移运动nPolarizationDriftnMagneticGradientDriftnGeneralForceDriftnCurvatureDrift37GuidingCentermotion38磁矩守恒nMagneticmoment39磁镜效应40磁镜效应推导41Losscone42VanAllen辐射带Trappedchargedparticles43TheouterbeltnTheouterbeltconsistsmainlyofhighenergy(0.110MeV)electronsnThelargeouterradiationbeltextendsfromanaltitudeofaboutthreetotenEarthradii(RE)or13,000to19,000kilometresabovetheEarthssurface.Itsgreatestintensityisusuallyaround45RE.44InnerbeltnTheinnerVanAllenBeltextendsfromanaltitudeof10010,000km(0.01to1.5Earthradii)nIonsenergyexceeding100MeVandelectronsintherangeofhundredsofkeV,trappedbythestrong(relativetotheouterbelts)magneticfieldsintheregionnItisbelievedthatprotonsofenergiesexceeding50MeVinthelowerbeltsatloweraltitudesaretheresultofthebetadecayofneutronscreatedbycosmicraycollisionswithnucleioftheupperatmosphere.Thesourceoflowerenergyprotonsisbelievedtobeprotondiffusionduetochangesinthemagneticfieldduringgeomagneticstorms45地面实验室模拟的辐射带46木星的辐射带47Aurorahttp:/en.wikipedia.org/wiki/Aurora_(astronomy)48KinetictheorynDistributionfunction49KinetictheoryNote:50等离子体中的Vlasov方程51类似Maxwellian分布曲线52卫星位于地球bowshock以外卫星位于磁尾53离子束流的速度、压强和温度TThe1stordermomentThe2ndordermoment54典型Flux的范围Non-MaxwelliandistributionfunctionnKappadistribution-powerlawdistribution5556MHD简介n流体力学的理论在于寻求宏观参量的演化方程；（宏观参量指：n(r,t),v(r,t),p(r,t),T(r,t)etc.）；n当单粒子理论中的粒子所带电荷、质量无限变化时（如：e=e/M,m=m/M），等离子体的德拜长度、回旋半径和回旋频率等保持不变（可作为流体处理）。57连续性方程58磁冻结（frozen-incondition）Faradayslaw59magnetopause60n磁压n等离子体beta常数61n磁声速（Alfvenvelocity）Note:soundspeed62MHD使用范围63Quasi-PerpendicularQuasi-ParallelDiffuse ionsFABIon Foreshock BoundaryBEarthField-aligned beamsSpecularly reflected ionsIntermediate distributionDiffuse distribution 地球舷激波周围离子加速的情况64DynamicoftheEarthsBowShockThedynamicoftheEarthsbowshockcreatesvariationsofthelocalBn,whichcanleadtoparticlereleaseinturn.65磁矩守恒失效的情况总结：n简单介绍了等离子体的概念；n单粒子运动nKinetictheorynMHD66