基礎(chǔ)空間等離子體物理學(xué)-上冊(cè)

1、中國(guó)科學(xué)院研究生院中國(guó)科學(xué)院研究生院基礎(chǔ)空間等離子體物理學(xué)基礎(chǔ)空間等離子體物理學(xué)(上冊(cè)上冊(cè))陳濤編寫陳濤編寫20102010，2 2本課程講義分上、下兩冊(cè)本課程講義分上、下兩冊(cè), ,由由pptppt文件直接打印裝訂成冊(cè)文件直接打印裝訂成冊(cè). .上冊(cè)由陳濤編寫上冊(cè)由陳濤編寫, ,內(nèi)容包括內(nèi)容包括: :導(dǎo)論導(dǎo)論 等離子體的基本概念等離子體的基本概念第一部分第一部分 單粒子軌道理論單粒子軌道理論下冊(cè)由劉永編寫下冊(cè)由劉永編寫, ,內(nèi)容包括內(nèi)容包括: : 第二部分第二部分 磁流體力學(xué)理論磁流體力學(xué)理論第三部分等離子體動(dòng)理學(xué)理論第三部分等離子體動(dòng)理學(xué)理論注注1 1：plasmaplasma一詞在物理學(xué)領(lǐng)域

2、翻譯成等離子體（大陸學(xué)一詞在物理學(xué)領(lǐng)域翻譯成等離子體（大陸學(xué)者），或電漿（臺(tái)灣學(xué)者）。者），或電漿（臺(tái)灣學(xué)者）。注注2 2：以前一些書刊中把：以前一些書刊中把kinetic theorykinetic theory翻譯成翻譯成動(dòng)力論動(dòng)力論，容，容易混淆易混淆dynamicdynamic和和kinetickinetic兩詞的物理區(qū)別。兩詞的物理區(qū)別。Dynamic(Dynamic(動(dòng)力動(dòng)力的的) )一詞用在描述與力有關(guān)的過程，而一詞用在描述與力有關(guān)的過程，而kinetickinetic描述與粒子描述與粒子運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的過程。為了區(qū)分它們，后來國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)詞條運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的過程。為了區(qū)分它們，后來國(guó)家

3、標(biāo)準(zhǔn)詞條把把kinetic theorykinetic theory重新翻譯成重新翻譯成動(dòng)理學(xué)理論動(dòng)理學(xué)理論，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱動(dòng)理論動(dòng)理論。本課程中我們采用本課程中我們采用動(dòng)理學(xué)理論（或動(dòng)理論）動(dòng)理學(xué)理論（或動(dòng)理論）的翻譯名稱。的翻譯名稱。主要參考書目錄：主要參考書目錄：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, Imperia

4、l College Press, 19973 G. K. 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 U

5、niversity Press, 20036 徐家鸞，金尚憲，徐家鸞，金尚憲，等離子體物理學(xué)等離子體物理學(xué)，原子能出版社，原子能出版社，19817 國(guó)家自然基金委員會(huì)，國(guó)家自然基金委員會(huì)，等離子體物理學(xué)等離子體物理學(xué)，科學(xué)出版社，科學(xué)出版社，19948 胡希偉，胡希偉，等離子體理論基礎(chǔ)等離子體理論基礎(chǔ)，北京大學(xué)出版社，北京大學(xué)出版社，20069 李李 定，陳銀華，馬錦秀，楊維紘，定，陳銀華，馬錦秀，楊維紘，等離子體物理學(xué)等離子體物理學(xué)，高等教育出版社，高等教育出版社，200610 康壽萬，陳雁萍，康壽萬，陳雁萍，等離子體物理學(xué)手冊(cè)等離子體物理學(xué)手冊(cè)，科學(xué)出版社，科學(xué)出版社，198111 吳望一

6、，吳望一，流體力學(xué)流體力學(xué)，北京大學(xué)出版社，北京大學(xué)出版社，上冊(cè)目錄上冊(cè)目錄: :導(dǎo)論導(dǎo)論 等離子體的基本概念等離子體的基本概念33第一部分第一部分 單粒子軌道理論單粒子軌道理論 28 28第一章第一章 單粒子在外加電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)單粒子在外加電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)2828第二章第二章 捕獲粒子捕獲粒子5353第二部分第二部分 磁流體力學(xué)理論磁流體力學(xué)理論 70 70 第一章第一章 磁流體力學(xué)基本理論磁流體力學(xué)基本理論 71 71第二章第二章 等離子體波的磁流體理論等離子體波的磁流體理論 126 126第三章第三章 磁流體力學(xué)激波磁流體力學(xué)激波 189 189第四章第四章 磁流體力學(xué)磁流體力學(xué)不穩(wěn)定性不

7、穩(wěn)定性 219 219第五章第五章 磁場(chǎng)重聯(lián)（補(bǔ)充內(nèi)容）磁場(chǎng)重聯(lián)（補(bǔ)充內(nèi)容） 255 255導(dǎo)論導(dǎo)論 等離子體的基本概念等離子體的基本概念等離子體的定義等離子體的定義等離子體物理研究的幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域等離子體物理研究的幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域等離子體物理研究的基本問題等離子體物理研究的基本問題等離子體物理的三種理論描述方法等離子體物理的三種理論描述方法等離子體的幾個(gè)基本參數(shù)等離子體的幾個(gè)基本參數(shù)碰撞碰撞等離子體電導(dǎo)率等離子體電導(dǎo)率等離子體的定義等離子體的定義等離子體是由大量等離子體是由大量正、負(fù)電荷數(shù)相等的正、負(fù)電荷數(shù)相等的帶電粒子組成的非凝聚帶電粒子組成的非凝聚系統(tǒng)系統(tǒng)。等離子體狀態(tài)是物質(zhì)存在的

8、基本形態(tài)之一等離子體狀態(tài)是物質(zhì)存在的基本形態(tài)之一，與固態(tài)、液態(tài)和氣，與固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)并列，稱為態(tài)并列，稱為物質(zhì)的第四態(tài)物質(zhì)的第四態(tài)。宇宙中大部分物質(zhì)處于等離子。宇宙中大部分物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)，人造等離子體在科學(xué)技術(shù)中的重要性正在迅速提高。體狀態(tài)，人造等離子體在科學(xué)技術(shù)中的重要性正在迅速提高。等離子體物理學(xué)研究等離子體的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律等離子體物理學(xué)研究等離子體的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律。等離子體的主。等離子體的主要特征是：要特征是：粒子間存在長(zhǎng)程粒子間存在長(zhǎng)程庫(kù)侖（庫(kù)侖（CoulombCoulomb）相互作用。等）相互作用。等離子體的運(yùn)動(dòng)與電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)緊密耦合，存在極其豐富的集離子體的運(yùn)動(dòng)與電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)緊

9、密耦合，存在極其豐富的集體效應(yīng)（體效應(yīng)（collective effectcollective effect）和集體運(yùn)動(dòng)模式）和集體運(yùn)動(dòng)模式。等離子體。等離子體物理學(xué)以等離子體的整體形態(tài)和集體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、等離子體與物理學(xué)以等離子體的整體形態(tài)和集體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、等離子體與電磁場(chǎng)及其他形態(tài)物質(zhì)的相互作用為主要研究對(duì)象。電磁場(chǎng)及其他形態(tài)物質(zhì)的相互作用為主要研究對(duì)象。與物質(zhì)的另外三態(tài)相比，等離子體可以存在的參數(shù)范圍異常寬與物質(zhì)的另外三態(tài)相比，等離子體可以存在的參數(shù)范圍異常寬廣（其密度、溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度都可以跨越十幾個(gè)數(shù)量級(jí)）；廣（其密度、溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度都可以跨越十幾個(gè)數(shù)量級(jí)）；等離子體的形態(tài)和性質(zhì)受外加電磁場(chǎng)

10、的強(qiáng)烈影響，并存在極等離子體的形態(tài)和性質(zhì)受外加電磁場(chǎng)的強(qiáng)烈影響，并存在極其豐富的集體運(yùn)動(dòng)模式（如各種靜電波、漂移波、電磁波及其豐富的集體運(yùn)動(dòng)模式（如各種靜電波、漂移波、電磁波及非線性的相干結(jié)構(gòu)和湍流）；此外，等離子體對(duì)邊界條件還非線性的相干結(jié)構(gòu)和湍流）；此外，等離子體對(duì)邊界條件還十分敏感。因此，等離子體性質(zhì)的研究強(qiáng)烈地依賴于具體的十分敏感。因此，等離子體性質(zhì)的研究強(qiáng)烈地依賴于具體的研究對(duì)象。研究對(duì)象。等離子體物理研究的幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域等離子體物理研究的幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域當(dāng)今等離子體物理研究主要集中在以下幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域：當(dāng)今等離子體物理研究主要集中在以下幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的領(lǐng)域： *熱核聚變能源

11、研究（高溫碰撞等離子體）熱核聚變能源研究（高溫碰撞等離子體） *空間等離子體物理（低溫?zé)o碰撞等離子體）空間等離子體物理（低溫?zé)o碰撞等離子體）和天體等離子體和天體等離子體物理（各種極端參數(shù)條件下的等離子體）物理（各種極端參數(shù)條件下的等離子體） *氣體放電和電弧的工業(yè)應(yīng)用（低溫等離子體及其與物質(zhì)相互氣體放電和電弧的工業(yè)應(yīng)用（低溫等離子體及其與物質(zhì)相互作用）作用） *強(qiáng)流帶電粒子束的現(xiàn)代高科技應(yīng)用（非中性等離子體及其與強(qiáng)流帶電粒子束的現(xiàn)代高科技應(yīng)用（非中性等離子體及其與強(qiáng)靜電、電磁波場(chǎng)的相互作用）。強(qiáng)靜電、電磁波場(chǎng)的相互作用）。空間等離子體物理學(xué)空間等離子體物理學(xué)：在日地空間和整個(gè)日層空間發(fā)生的在日

12、地空間和整個(gè)日層空間發(fā)生的大多數(shù)物理過程是等離子體物理過程，對(duì)其中基礎(chǔ)性的和共大多數(shù)物理過程是等離子體物理過程，對(duì)其中基礎(chǔ)性的和共同性的現(xiàn)象與規(guī)律的研究就形成了一門新的學(xué)科分支同性的現(xiàn)象與規(guī)律的研究就形成了一門新的學(xué)科分支空空間等離子體物理學(xué)。目前從整體上看它間等離子體物理學(xué)。目前從整體上看它主要還是研究日地及主要還是研究日地及日層空間中的等離子體物理現(xiàn)象。它既是等離子體物理學(xué)的日層空間中的等離子體物理現(xiàn)象。它既是等離子體物理學(xué)的一個(gè)分支，也是空間物理學(xué)的一個(gè)分支，是空間物理、太陽一個(gè)分支，也是空間物理學(xué)的一個(gè)分支，是空間物理、太陽物理和等離子體物理之間的交叉學(xué)科物理和等離子體物理之間的交叉學(xué)

13、科，具有其獨(dú)特的地位和，具有其獨(dú)特的地位和作用。作用。等離子體物理研究的基本問題：等離子體物理研究的基本問題： *等離子體平衡位形等離子體平衡位形 *波動(dòng)和不穩(wěn)定性波動(dòng)和不穩(wěn)定性 *電磁輻射電磁輻射 *弛豫和輸運(yùn)弛豫和輸運(yùn)等離子體物理的三種理論描述方法：等離子體物理的三種理論描述方法：?jiǎn)瘟Ｗ樱ɑ蛟囂搅Ｗ樱﹩瘟Ｗ樱ɑ蛟囂搅Ｗ樱┸壍览碚?，磁流體力學(xué)理論，和動(dòng)理學(xué)理論。軌道理論，磁流體力學(xué)理論，和動(dòng)理學(xué)理論。*單粒子（或試探粒子）軌道理論單粒子（或試探粒子）軌道理論。它直接對(duì)大量帶電粒子的集它直接對(duì)大量帶電粒子的集合作軌道描述合作軌道描述，由于存在多粒子間的相互作用，此問題只能，由于存在多粒子間的相

14、互作用，此問題只能用計(jì)算機(jī)求解。但在許多情況下，可以先用計(jì)算機(jī)求解。但在許多情況下，可以先忽略粒子間的相互忽略粒子間的相互作用，把多體問題簡(jiǎn)化成單個(gè)試探粒子在給定的外加電磁場(chǎng)作用，把多體問題簡(jiǎn)化成單個(gè)試探粒子在給定的外加電磁場(chǎng)中的軌道運(yùn)動(dòng)中的軌道運(yùn)動(dòng)。這雖然是電動(dòng)力學(xué)問題，但由于在日。這雖然是電動(dòng)力學(xué)問題，但由于在日-地空間地空間或某些實(shí)驗(yàn)裝置中的電磁場(chǎng)位形往往非常復(fù)雜，故又專門發(fā)或某些實(shí)驗(yàn)裝置中的電磁場(chǎng)位形往往非常復(fù)雜，故又專門發(fā)展了一些有效的簡(jiǎn)化方法（如強(qiáng)磁場(chǎng)中的引導(dǎo)中心漂移近似，展了一些有效的簡(jiǎn)化方法（如強(qiáng)磁場(chǎng)中的引導(dǎo)中心漂移近似，高頻電磁場(chǎng)中的振蕩中心近似等），統(tǒng)稱為高頻電磁場(chǎng)中的振蕩

15、中心近似等），統(tǒng)稱為單粒子（或試探單粒子（或試探粒子）軌道理論，是等離子體的一種近似理論粒子）軌道理論，是等離子體的一種近似理論。在許多等離。在許多等離子體物理問題中，試探粒子的軌道描述往往可以對(duì)等離子體子體物理問題中，試探粒子的軌道描述往往可以對(duì)等離子體的行為作出更嚴(yán)格的零級(jí)近似。的行為作出更嚴(yán)格的零級(jí)近似。由于忽略了粒子間的相互作用，這種理論不能用來研究涉及波由于忽略了粒子間的相互作用，這種理論不能用來研究涉及波-粒子相互作用的現(xiàn)象，也不能揭示因粒子體系分布函數(shù)在速粒子相互作用的現(xiàn)象，也不能揭示因粒子體系分布函數(shù)在速度空間中偏離平衡態(tài)所引起的等離子體不穩(wěn)定性度空間中偏離平衡態(tài)所引起的等離子

16、體不穩(wěn)定性。適用條件要求等離子體必須很稀薄。適用條件要求等離子體必須很稀薄。*磁流體力學(xué)理論磁流體力學(xué)理論。它把等離子體當(dāng)成導(dǎo)電流體來描述（單流體它把等離子體當(dāng)成導(dǎo)電流體來描述（單流體力學(xué)），把不同種類的帶電粒子（如電子和離子）分別用不力學(xué)），把不同種類的帶電粒子（如電子和離子）分別用不同的導(dǎo)電流體來描述（雙流體力學(xué)），它也是等離子體的一同的導(dǎo)電流體來描述（雙流體力學(xué)），它也是等離子體的一種近似理論種近似理論。它適用于描述隨時(shí)間和空間變化的一些等離子。它適用于描述隨時(shí)間和空間變化的一些等離子體行為，如在給定的電、磁場(chǎng)中的平衡位形，低頻的穩(wěn)定的體行為，如在給定的電、磁場(chǎng)中的平衡位形，低頻的穩(wěn)定的

17、集體運(yùn)動(dòng)（磁流體力學(xué)波）和不穩(wěn)定的集體運(yùn)動(dòng)（宏觀或磁集體運(yùn)動(dòng)（磁流體力學(xué)波）和不穩(wěn)定的集體運(yùn)動(dòng)（宏觀或磁流體力學(xué)不穩(wěn)定性），雙流體理論還可以描述高頻波及各種流體力學(xué)不穩(wěn)定性），雙流體理論還可以描述高頻波及各種粒子的輸運(yùn)過程。粒子的輸運(yùn)過程。由于它不考慮同一流體元中不同粒子間運(yùn)動(dòng)的差別，因而也不由于它不考慮同一流體元中不同粒子間運(yùn)動(dòng)的差別，因而也不能用來研究涉及波能用來研究涉及波-粒子相互作用的現(xiàn)象，不能揭示因粒子體粒子相互作用的現(xiàn)象，不能揭示因粒子體系分布函數(shù)在速度空間中偏離平衡態(tài)所引起的等離子體不穩(wěn)系分布函數(shù)在速度空間中偏離平衡態(tài)所引起的等離子體不穩(wěn)定性定性。適用條件要求等離子體的特征長(zhǎng)度和

18、特征時(shí)間必須大于粒子碰適用條件要求等離子體的特征長(zhǎng)度和特征時(shí)間必須大于粒子碰撞的平均自由程和平均時(shí)間。在磁化等離子體中要求等離子撞的平均自由程和平均時(shí)間。在磁化等離子體中要求等離子體垂直于磁場(chǎng)的特征長(zhǎng)度和特征時(shí)間必須遠(yuǎn)大于粒子的回旋體垂直于磁場(chǎng)的特征長(zhǎng)度和特征時(shí)間必須遠(yuǎn)大于粒子的回旋半徑和回旋周期。半徑和回旋周期。*動(dòng)理學(xué)理論（或統(tǒng)計(jì)描述的理論）動(dòng)理學(xué)理論（或統(tǒng)計(jì)描述的理論）。它把等離子體看成是由大它把等離子體看成是由大量帶電粒子組成的一個(gè)集團(tuán)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)物理的方法來研究這量帶電粒子組成的一個(gè)集團(tuán)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)物理的方法來研究這團(tuán)粒子的集體行為，即大量帶電粒子的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，是等團(tuán)粒子的集體行為，即

19、大量帶電粒子的統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果，是等離子體的離子體的統(tǒng)計(jì)理論統(tǒng)計(jì)理論。它是求解以各種粒子的速度分布函數(shù)的它是求解以各種粒子的速度分布函數(shù)的時(shí)間演化方程為手段的理論時(shí)間演化方程為手段的理論，包括無碰撞等離子體中波和粒，包括無碰撞等離子體中波和粒子間相互作用的子間相互作用的Vlasov波動(dòng)理論和碰撞等離子體中碰撞過程波動(dòng)理論和碰撞等離子體中碰撞過程的動(dòng)理學(xué)理論。的動(dòng)理學(xué)理論。它比單粒子軌道理論和磁流體力學(xué)理論都完它比單粒子軌道理論和磁流體力學(xué)理論都完整，但數(shù)學(xué)上要復(fù)雜得多，缺少物理直觀性整，但數(shù)學(xué)上要復(fù)雜得多，缺少物理直觀性。等離子體是由正、負(fù)電荷數(shù)相等的帶電粒子組成的系統(tǒng)，粒子等離子體是由正、負(fù)電荷

20、數(shù)相等的帶電粒子組成的系統(tǒng)，粒子之間有近距離的短程二體碰撞作用和遠(yuǎn)距離的長(zhǎng)程電磁力作之間有近距離的短程二體碰撞作用和遠(yuǎn)距離的長(zhǎng)程電磁力作用。用。等離子體中粒子的密度要求相對(duì)足夠的低，以使得短程等離子體中粒子的密度要求相對(duì)足夠的低，以使得短程二體碰撞作用可以忽略，而長(zhǎng)程電磁力作用更有效二體碰撞作用可以忽略，而長(zhǎng)程電磁力作用更有效。等離子。等離子體的性質(zhì)由帶電粒子的單個(gè)相互作用和粒子的體的性質(zhì)由帶電粒子的單個(gè)相互作用和粒子的“集體行為集體行為” (collective behavior)(collective behavior)來確定。這種來確定。這種“集體行為集體行為”是由許是由許多粒子通過長(zhǎng)程

21、庫(kù)侖勢(shì)（多粒子通過長(zhǎng)程庫(kù)侖勢(shì)（Coulomb potentialCoulomb potential）同時(shí)相互作）同時(shí)相互作用產(chǎn)生的。集體相互作用最好用統(tǒng)計(jì)物理的概念來描述，因用產(chǎn)生的。集體相互作用最好用統(tǒng)計(jì)物理的概念來描述，因而而要求等離子體系統(tǒng)應(yīng)包含足夠多的粒子數(shù)目要求等離子體系統(tǒng)應(yīng)包含足夠多的粒子數(shù)目。計(jì)算等離子體物理計(jì)算等離子體物理：它是從一定的物理模型出發(fā)，用計(jì)算它是從一定的物理模型出發(fā)，用計(jì)算機(jī)作數(shù)值計(jì)算或模擬，以揭示等離子體的某些性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)機(jī)作數(shù)值計(jì)算或模擬，以揭示等離子體的某些性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是計(jì)算物理的一個(gè)重要分支律，是計(jì)算物理的一個(gè)重要分支。由于等離子體是自由度十。由于等離

22、子體是自由度十分巨大的體系，物理現(xiàn)象極為豐富又極為復(fù)雜，計(jì)算等離子分巨大的體系，物理現(xiàn)象極為豐富又極為復(fù)雜，計(jì)算等離子體物理顯得愈來愈重要。相應(yīng)于等離子體的磁流體描述、統(tǒng)體物理顯得愈來愈重要。相應(yīng)于等離子體的磁流體描述、統(tǒng)計(jì)描述和粒子軌道描述，計(jì)算等離子體物理大體分為磁流體計(jì)描述和粒子軌道描述，計(jì)算等離子體物理大體分為磁流體研究、動(dòng)理學(xué)研究和粒子模擬三個(gè)方面。研究、動(dòng)理學(xué)研究和粒子模擬三個(gè)方面。磁流體研究磁流體研究和和動(dòng)理動(dòng)理學(xué)研究學(xué)研究分別在三維坐標(biāo)空間和六維相空間（坐標(biāo)與速度）對(duì)分別在三維坐標(biāo)空間和六維相空間（坐標(biāo)與速度）對(duì)等離子體作連續(xù)介質(zhì)描述，它們等離子體作連續(xù)介質(zhì)描述，它們分別對(duì)磁流

23、體方程組和分別對(duì)磁流體方程組和Vlasov-Maxwell方程組求數(shù)值解方程組求數(shù)值解。而。而粒子模擬粒子模擬則是則是跟蹤每一跟蹤每一個(gè)粒子在個(gè)粒子在外加電磁場(chǎng)外加電磁場(chǎng)和和自己產(chǎn)生的自洽電磁場(chǎng)自己產(chǎn)生的自洽電磁場(chǎng)中的軌道運(yùn)動(dòng)，中的軌道運(yùn)動(dòng)，研究粒子系和自洽波場(chǎng)之間的共振相互作用及其非線性的時(shí)研究粒子系和自洽波場(chǎng)之間的共振相互作用及其非線性的時(shí)間演化過程間演化過程。等離子體物理的幾個(gè)基本參數(shù)：等離子體物理的幾個(gè)基本參數(shù)： * * 德拜屏蔽德拜屏蔽(Debye shielding)(Debye shielding)和德拜長(zhǎng)度和德拜長(zhǎng)度(Debye length)(Debye length)一個(gè)電

24、荷為一個(gè)電荷為 的粒子在距離為的粒子在距離為 處的靜電庫(kù)侖勢(shì)處的靜電庫(kù)侖勢(shì)(Coulomb (Coulomb potential)potential)為為 。qr0/(4)Cqr在等離子體中，一些電子被吸引到離子附近，將離子的靜電場(chǎng)與在等離子體中，一些電子被吸引到離子附近，將離子的靜電場(chǎng)與等離子體的其余部分屏蔽開來。同樣，一個(gè)靜止的電子會(huì)排等離子體的其余部分屏蔽開來。同樣，一個(gè)靜止的電子會(huì)排斥其它電子而吸引離子。這樣，斥其它電子而吸引離子。這樣，一個(gè)帶電粒子的靜電作用被一個(gè)帶電粒子的靜電作用被其周圍過剩的異號(hào)電荷所屏蔽，這種效應(yīng)改變了帶電粒子附其周圍過剩的異號(hào)電荷所屏蔽，這種效應(yīng)改變了帶電粒子

25、附近的靜電勢(shì)分布，使得靜電場(chǎng)被限制在一個(gè)短距離內(nèi)近的靜電勢(shì)分布，使得靜電場(chǎng)被限制在一個(gè)短距離內(nèi), 稱為稱為德德拜屏蔽拜屏蔽(Debye shielding)(Debye shielding) 。因此，一個(gè)靜止電荷的靜電勢(shì)可。因此，一個(gè)靜止電荷的靜電勢(shì)可以寫成為一個(gè)短程靜電勢(shì)形式以寫成為一個(gè)短程靜電勢(shì)形式把把 稱為稱為德拜勢(shì)（德拜勢(shì)（Debye potential），其中），其中 被稱為被稱為德拜長(zhǎng)度德拜長(zhǎng)度（Debye length） ，它是粒子電勢(shì)下降到它是粒子電勢(shì)下降到Coulomb勢(shì)的勢(shì)的 倍倍時(shí)的距離，時(shí)的距離，定義為定義為(以后將給出嚴(yán)格的計(jì)算以后將給出嚴(yán)格的計(jì)算)0expexp,4

26、DDDcrrqr020.(1)BeDk Te nD1/eD圖圖1 Debye勢(shì)和勢(shì)和Coulomb勢(shì)的比較勢(shì)的比較當(dāng)當(dāng) 時(shí)，電勢(shì)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的時(shí)，電勢(shì)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的Coulomb勢(shì)；當(dāng)勢(shì)；當(dāng) 時(shí)時(shí),電勢(shì)電勢(shì)指數(shù)下降，點(diǎn)電荷周圍的電勢(shì)被有效地屏蔽，稱為指數(shù)下降，點(diǎn)電荷周圍的電勢(shì)被有效地屏蔽，稱為Debye屏蔽屏蔽(Debye shielding)。可見，?？梢?，Debye長(zhǎng)度是等離子體中一個(gè)試驗(yàn)長(zhǎng)度是等離子體中一個(gè)試驗(yàn)電荷作用范圍的量度，短程靜電勢(shì)是由等離子體的動(dòng)理學(xué)性電荷作用范圍的量度，短程靜電勢(shì)是由等離子體的動(dòng)理學(xué)性質(zhì)確定的。圖質(zhì)確定的。圖1表示表示Debye勢(shì)和勢(shì)和Coulomb勢(shì)的比較。勢(shì)的

27、比較。*等離子體的電中性等離子體的電中性等離子體在宏觀上是電中性的，滿足電中性條件等離子體在宏觀上是電中性的，滿足電中性條件：其中其中 和和 是電子和離子的數(shù)密度，是電子和離子的數(shù)密度， 是離子電荷數(shù)。是離子電荷數(shù)。該條件該條件只有在只有在Debye長(zhǎng)度之外的區(qū)域才滿足長(zhǎng)度之外的區(qū)域才滿足。為了使穩(wěn)態(tài)等離子體維。為了使穩(wěn)態(tài)等離子體維持準(zhǔn)電中性，每個(gè)體積元內(nèi)的正、負(fù)電荷數(shù)必須相等，這樣持準(zhǔn)電中性，每個(gè)體積元內(nèi)的正、負(fù)電荷數(shù)必須相等，這樣的體積元必須足夠大以便包含足夠多的粒子，但又必須足夠的體積元必須足夠大以便包含足夠多的粒子，但又必須足夠小以便小于宏觀參量變化的特征長(zhǎng)度（或系統(tǒng)的特征長(zhǎng)度，小以便

28、小于宏觀參量變化的特征長(zhǎng)度（或系統(tǒng)的特征長(zhǎng)度，或系統(tǒng)的物理尺度或系統(tǒng)的物理尺度 ）。在每個(gè)體積元內(nèi)粒子的微觀空間電荷）。在每個(gè)體積元內(nèi)粒子的微觀空間電荷場(chǎng)必須互相抵消以便保持宏觀電中性。場(chǎng)必須互相抵消以便保持宏觀電中性。DrDr.(2)eiiinZ neniniZ因此，因此，等離子體系統(tǒng)的物理尺度等離子體系統(tǒng)的物理尺度 必須大于必須大于Debye長(zhǎng)度長(zhǎng)度 ，這是這是等離子體不同于簡(jiǎn)單電離氣體的第一個(gè)判據(jù)等離子體不同于簡(jiǎn)單電離氣體的第一個(gè)判據(jù)。*等離子體參量等離子體參量由于屏蔽效應(yīng)是半徑為由于屏蔽效應(yīng)是半徑為 的的Debye球內(nèi)集體行為的結(jié)果，該球球內(nèi)集體行為的結(jié)果，該球必須包含足夠多的粒子必須

29、包含足夠多的粒子。 Debye球內(nèi)的粒子數(shù)為球內(nèi)的粒子數(shù)為 ，其中其中 常被稱為常被稱為等離子體參量等離子體參量，于是定義，于是定義等離子體的第等離子體的第二個(gè)判據(jù)二個(gè)判據(jù)為為由于粒子間兩兩相互作用位能的平均值為由于粒子間兩兩相互作用位能的平均值為其中其中 為粒子間的平均距離。而粒子的平均動(dòng)能為為粒子間的平均距離。而粒子的平均動(dòng)能為.(3)DLDD3(4 /3)eDn3eDn 31.(4)e Dn1/31 201 20/()/Pqqrn qq2/2thBeWmvk TrL于是平均動(dòng)能與平均位能的比值與等離子體參量的于是平均動(dòng)能與平均位能的比值與等離子體參量的2/3次方有如次方有如下關(guān)系：下關(guān)系

30、：也就是說，也就是說，等離子體的第二個(gè)判據(jù)要求粒子的平均動(dòng)能必須遠(yuǎn)等離子體的第二個(gè)判據(jù)要求粒子的平均動(dòng)能必須遠(yuǎn)大于平均位能，即粒子間兩兩相互作用位能與其動(dòng)能相比可大于平均位能，即粒子間兩兩相互作用位能與其動(dòng)能相比可忽略不計(jì)，于是等離子體可以近似看作忽略不計(jì)，于是等離子體可以近似看作“無碰撞無碰撞”，第二個(gè)，第二個(gè)判據(jù)也就是等離子體無碰撞條件判據(jù)也就是等離子體無碰撞條件。等離子體就其整體而言，。等離子體就其整體而言，動(dòng)能和位能是平均分配的，但粒子的相互作用位能都集中于動(dòng)能和位能是平均分配的，但粒子的相互作用位能都集中于Debye球內(nèi)的多體相互作用，粒子間的兩兩相互作用分配到的球內(nèi)的多體相互作用，

31、粒子間的兩兩相互作用分配到的能量是極少的?？梢姡入x子體的無碰撞正是能量是極少的?？梢?，等離子體的無碰撞正是Debye球內(nèi)的多球內(nèi)的多體相互作用的結(jié)果。條件體相互作用的結(jié)果。條件也表明，也表明，Debye長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于粒子平均距離，粒子大部分時(shí)間都處長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于粒子平均距離，粒子大部分時(shí)間都處在在Debye球內(nèi)。球內(nèi)。2/31/31eTWPn3/1Dr*等離子體振蕩和等離子體頻率等離子體振蕩和等離子體頻率等離子體維持宏觀電中性的趨勢(shì)非常強(qiáng)烈。如果等離子體電中等離子體維持宏觀電中性的趨勢(shì)非常強(qiáng)烈。如果等離子體電中性受到某種外力的擾動(dòng)，使一群電子稍微偏離它們的平衡位性受到某種外力的擾動(dòng)，使一群電子稍微偏

32、離它們的平衡位置，那么這群電子就會(huì)受到一種使它們返回到原來位置的恢置，那么這群電子就會(huì)受到一種使它們返回到原來位置的恢復(fù)力的作用。當(dāng)達(dá)到平衡位置時(shí)，它們將獲得和初始位移的復(fù)力的作用。當(dāng)達(dá)到平衡位置時(shí)，它們將獲得和初始位移的勢(shì)能相等的動(dòng)能，并將繼續(xù)通過平衡位置向前運(yùn)動(dòng)，直到全勢(shì)能相等的動(dòng)能，并將繼續(xù)通過平衡位置向前運(yùn)動(dòng)，直到全部動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能為止。這種周期性振蕩運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為部動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?shì)能為止。這種周期性振蕩運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象稱為等等離子體振蕩，是等離子體中一種天然的振蕩，其振蕩頻率就離子體振蕩，是等離子體中一種天然的振蕩，其振蕩頻率就是等離子體頻率是等離子體頻率。以后將證明，。以后將證明，等離子體頻

33、率等離子體頻率為為它常被用來確定等離子體中電子的密度。某些空間等離子體，它常被用來確定等離子體中電子的密度。某些空間等離子體，如地球電離層，是不完全電離的，帶電粒子常與中性成分碰如地球電離層，是不完全電離的，帶電粒子常與中性成分碰撞，介質(zhì)并不像等離子體，而像中性氣體。撞，介質(zhì)并不像等離子體，而像中性氣體。若電子仍然不受若電子仍然不受與中性成分碰撞影響，電子與中性粒子兩次碰撞之間的平均與中性成分碰撞影響，電子與中性粒子兩次碰撞之間的平均時(shí)間時(shí)間 必須大于等離子體頻率的倒數(shù)，即滿足條件必須大于等離子體頻率的倒數(shù)，即滿足條件1/220.(5)epeen emn這是把部分電離介質(zhì)當(dāng)作等離子體的第三個(gè)判

34、據(jù)這是把部分電離介質(zhì)當(dāng)作等離子體的第三個(gè)判據(jù)。上述表明，等離子體粒子間的長(zhǎng)程相互作用在近距離和遠(yuǎn)距離上述表明，等離子體粒子間的長(zhǎng)程相互作用在近距離和遠(yuǎn)距離分別產(chǎn)生了分別產(chǎn)生了兩種重要效應(yīng)兩種重要效應(yīng)。在小于。在小于DebyeDebye長(zhǎng)度的尺度內(nèi)，粒子長(zhǎng)度的尺度內(nèi)，粒子的近距離作用造成的近距離作用造成DebyeDebye屏蔽屏蔽，從而保證了無碰撞條件。在大，從而保證了無碰撞條件。在大于于DebyeDebye長(zhǎng)度的尺度范圍內(nèi)，粒子的遠(yuǎn)距離作用產(chǎn)生了等離子長(zhǎng)度的尺度范圍內(nèi)，粒子的遠(yuǎn)距離作用產(chǎn)生了等離子體的體的集體效應(yīng)集體效應(yīng)(collective effect)(collective effect

35、)?！凹w效應(yīng)集體效應(yīng)”一詞專一詞專指大于指大于DebyeDebye長(zhǎng)度的現(xiàn)象，盡管長(zhǎng)度的現(xiàn)象，盡管DebyeDebye屏蔽實(shí)質(zhì)上也是集體作屏蔽實(shí)質(zhì)上也是集體作用的結(jié)果。用的結(jié)果。圖圖2給出幾個(gè)地球空間等離子體區(qū)域中典型的參數(shù)范圍給出幾個(gè)地球空間等離子體區(qū)域中典型的參數(shù)范圍, 如密度如密度和溫度和溫度,因而也表示出因而也表示出Debye長(zhǎng)度的分布長(zhǎng)度的分布.可見可見,在大多數(shù)地球物在大多數(shù)地球物理等離子體中，天然條件保證了理等離子體中，天然條件保證了DebyeDebye屏蔽的實(shí)現(xiàn)，從而展現(xiàn)屏蔽的實(shí)現(xiàn)，從而展現(xiàn)出豐富的集體效應(yīng)出豐富的集體效應(yīng)。但在計(jì)算機(jī)粒子模擬中，需用大量的粒。但在計(jì)算機(jī)粒子模

36、擬中，需用大量的粒子來實(shí)現(xiàn)子來實(shí)現(xiàn)DebyeDebye屏蔽，這是一個(gè)難以完全克服的困難。屏蔽，這是一個(gè)難以完全克服的困難。1.(6)pen 圖圖2 幾個(gè)地球空間等離子體中典型的參數(shù)范圍幾個(gè)地球空間等離子體中典型的參數(shù)范圍等離子體不僅在宇宙很豐富等離子體不僅在宇宙很豐富,在我們太陽系也很豐富。即使在很靠在我們太陽系也很豐富。即使在很靠近地球的空間范圍，在約近地球的空間范圍，在約100km以上的所有物質(zhì)，在電離層內(nèi)以上的所有物質(zhì)，在電離層內(nèi)及其以上范圍，必須用等離子體物理的方法處理。存在著很多及其以上范圍，必須用等離子體物理的方法處理。存在著很多不同的地球空間等離子體區(qū)，它們的特征參數(shù)不同的地球空

37、間等離子體區(qū)，它們的特征參數(shù)(如密度和溫度等如密度和溫度等)有很寬范圍有很寬范圍(見圖見圖2)。*太陽風(fēng)太陽風(fēng)由于日冕的超聲速膨脹，太陽把高度導(dǎo)電的等離子體以約由于日冕的超聲速膨脹，太陽把高度導(dǎo)電的等離子體以約500km/s的超聲速度發(fā)射到行星際空間。這種等離子體稱為的超聲速度發(fā)射到行星際空間。這種等離子體稱為太陽風(fēng)太陽風(fēng)(Solar wind),主要由電子和質(zhì)子組成，也混合了約主要由電子和質(zhì)子組成，也混合了約5%的氦離子。的氦離子。由于它的高導(dǎo)電性能，太陽磁場(chǎng)被凍結(jié)在太陽風(fēng)里且被膨脹的由于它的高導(dǎo)電性能，太陽磁場(chǎng)被凍結(jié)在太陽風(fēng)里且被膨脹的太陽風(fēng)拖著向外運(yùn)動(dòng)。在地球軌道附近的太陽風(fēng)里，典型的電

38、太陽風(fēng)拖著向外運(yùn)動(dòng)。在地球軌道附近的太陽風(fēng)里，典型的電子密度和溫度及行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度參見表子密度和溫度及行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度參見表1。當(dāng)太陽風(fēng)遇到地球偶極磁場(chǎng)時(shí)不可能簡(jiǎn)單地穿透進(jìn)來，而是被減當(dāng)太陽風(fēng)遇到地球偶極磁場(chǎng)時(shí)不可能簡(jiǎn)單地穿透進(jìn)來，而是被減速下來，并在相當(dāng)大的空間范圍內(nèi)繞流過地磁場(chǎng)。由于太陽風(fēng)速下來，并在相當(dāng)大的空間范圍內(nèi)繞流過地磁場(chǎng)。由于太陽風(fēng)以超聲速?zèng)_擊障礙物，就產(chǎn)生了所謂以超聲速?zèng)_擊障礙物，就產(chǎn)生了所謂舷激波舷激波(bow shock)(見圖見圖3)，這里等離子體被減速，這里等離子體被減速， 粒子動(dòng)能的一部分轉(zhuǎn)換為熱能粒子動(dòng)能的一部分轉(zhuǎn)換為熱能.在舷激波在舷激波后面被加熱過的亞聲速等離子體

39、區(qū)稱為后面被加熱過的亞聲速等離子體區(qū)稱為磁鞘磁鞘(magnetosheath)圖圖3 日日-地環(huán)境結(jié)構(gòu)圖地環(huán)境結(jié)構(gòu)圖(見圖見圖3)，它的等離子體比太陽風(fēng)等離子體更稠密和更熱，它的等離子體比太陽風(fēng)等離子體更稠密和更熱,該區(qū)的磁該區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度也更高。場(chǎng)強(qiáng)度也更高。*磁層磁層在磁鞘里激波下游的太陽風(fēng)等離子體不容易穿透進(jìn)入地球磁場(chǎng)，在磁鞘里激波下游的太陽風(fēng)等離子體不容易穿透進(jìn)入地球磁場(chǎng)，而多數(shù)是繞流過它，這是由于行星際磁場(chǎng)不能穿透進(jìn)入地球磁而多數(shù)是繞流過它，這是由于行星際磁場(chǎng)不能穿透進(jìn)入地球磁場(chǎng)，且由于太陽風(fēng)高導(dǎo)電等離子體的凍結(jié)特征使它的粒子也不場(chǎng)，且由于太陽風(fēng)高導(dǎo)電等離子體的凍結(jié)特征使它的粒子也不能

40、離開行星際磁場(chǎng)。能離開行星際磁場(chǎng)。把太陽風(fēng)和地球磁場(chǎng)分離開的邊界稱為把太陽風(fēng)和地球磁場(chǎng)分離開的邊界稱為磁層頂磁層頂(magnetopause),而而由地球磁場(chǎng)所產(chǎn)生的空穴由地球磁場(chǎng)所產(chǎn)生的空穴(cavity)被稱為被稱為磁層磁層(magnetosphere) (見圖見圖3和圖和圖4)。太陽風(fēng)的動(dòng)壓使地球磁場(chǎng)的靠外部分發(fā)生了畸。太陽風(fēng)的動(dòng)壓使地球磁場(chǎng)的靠外部分發(fā)生了畸變，在其前邊磁場(chǎng)被壓縮變，在其前邊磁場(chǎng)被壓縮,而夜側(cè)磁場(chǎng)則被拉長(zhǎng)成一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的到而夜側(cè)磁場(chǎng)則被拉長(zhǎng)成一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的到達(dá)月球軌道以遠(yuǎn)的達(dá)月球軌道以遠(yuǎn)的磁尾磁尾(magnetotail)。磁層等離子體主要由電子和質(zhì)子組成，這些粒子的來源是太陽

41、風(fēng)磁層等離子體主要由電子和質(zhì)子組成，這些粒子的來源是太陽風(fēng)和地球的電離層。此外還存在小部分來自電離層的和地球的電離層。此外還存在小部分來自電離層的 和和 離子和來自太陽風(fēng)的離子和來自太陽風(fēng)的 離子。但是，磁層內(nèi)部的等離子體并離子。但是，磁層內(nèi)部的等離子體并不是均勻分布的不是均勻分布的,而是分成密度和溫度很不相同的不同區(qū)域，而是分成密度和溫度很不相同的不同區(qū)域，HeOHe圖圖4 地球磁層的等離子體結(jié)構(gòu)地球磁層的等離子體結(jié)構(gòu)圖圖4 4是描述這些等離子體區(qū)域的示意圖是描述這些等離子體區(qū)域的示意圖. .輻射帶輻射帶(radiation belt)(radiation belt)位于約位于約2 2和和6

42、 (6 (地球半徑地球半徑) )之間的偶之間的偶極磁場(chǎng)線上極磁場(chǎng)線上, ,它由高能電子和離子組成它由高能電子和離子組成, ,它們沿場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)并在它們沿場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)并在南北半球來回振蕩。輻射帶典型的電子密度和溫度及磁場(chǎng)強(qiáng)南北半球來回振蕩。輻射帶典型的電子密度和溫度及磁場(chǎng)強(qiáng)度參見表度參見表1.1.等離子體片等離子體片(plasma sheet).(plasma sheet).多數(shù)磁尾等離子體集中在磁尾中間多數(shù)磁尾等離子體集中在磁尾中間平面附近約平面附近約10 10 厚度范圍內(nèi)的等離子體片厚度范圍內(nèi)的等離子體片, ,它在地球附近沿它在地球附近沿磁場(chǎng)線向下到達(dá)高緯極光電離層磁場(chǎng)線向下到達(dá)高緯極光電離層(au

43、roral ionosphere)(auroral ionosphere)。等。等離子體片的平均電子密度和溫度及磁場(chǎng)強(qiáng)度參見表離子體片的平均電子密度和溫度及磁場(chǎng)強(qiáng)度參見表1 1。磁尾的外部稱為磁尾的外部稱為磁尾瓣磁尾瓣(magnetotail lobe),(magnetotail lobe),它包含高度稀薄的它包含高度稀薄的等離子體等離子體, ,典型的電子密度和溫度及磁場(chǎng)強(qiáng)度參見表典型的電子密度和溫度及磁場(chǎng)強(qiáng)度參見表1 1。* *電離層電離層(ionosphere)(ionosphere)照射到地球大氣層的太陽紫外線使部分中性大氣層電離。在約照射到地球大氣層的太陽紫外線使部分中性大氣層電離。在

44、約80km80km以上高度，迅速產(chǎn)生復(fù)合的碰撞很不頻繁，形成永久電以上高度，迅速產(chǎn)生復(fù)合的碰撞很不頻繁，形成永久電離的粒子群，稱為電離層。中緯度電離層典型的電子密度和離的粒子群，稱為電離層。中緯度電離層典型的電子密度和溫度及磁場(chǎng)強(qiáng)度參見表溫度及磁場(chǎng)強(qiáng)度參見表1 1。ERER表表1. 一些地球空間等離子體區(qū)的典型參數(shù)一些地球空間等離子體區(qū)的典型參數(shù) 太陽風(fēng)3()en cm( )eT K()B nT51055輻射帶175 10100 1000等離子體片0.565 1010磁尾瓣21055 1030中緯度電離層510310410等離子體層25 1035 10500電離層延伸到相當(dāng)高的高度上，在低緯和

45、中緯逐漸合并為電離層延伸到相當(dāng)高的高度上，在低緯和中緯逐漸合并為等離子等離子體層體層(plasmasphere)。如圖如圖4所示，等離子體層是一個(gè)在輻射所示，等離子體層是一個(gè)在輻射帶內(nèi)部的環(huán)形球狀體，它包含較冷而稠密的電離層來源的等帶內(nèi)部的環(huán)形球狀體，它包含較冷而稠密的電離層來源的等離子體離子體(典型的電子密度和溫度參數(shù)參見表典型的電子密度和溫度參數(shù)參見表1)，它與地球共轉(zhuǎn)。，它與地球共轉(zhuǎn)。在赤道面上，等離子體層延伸到約在赤道面上，等離子體層延伸到約4 左右的邊界左右的邊界,這里電子這里電子密度急劇下降到密度急劇下降到 左右，該邊界稱為左右，該邊界稱為等離子體層頂?shù)入x子體層頂(plasmapa

46、use)。 在高緯度上，等離子體片電子能沿磁場(chǎng)線沉降到電離層高度上與在高緯度上，等離子體片電子能沿磁場(chǎng)線沉降到電離層高度上與中性大氣粒子碰撞并使它們電離。作為副產(chǎn)物，由該過程發(fā)中性大氣粒子碰撞并使它們電離。作為副產(chǎn)物，由該過程發(fā)射的中子產(chǎn)生了射的中子產(chǎn)生了極光極光(aurora)，觀測(cè)到這些極光典型地是在觀測(cè)到這些極光典型地是在激激光橢圓區(qū)光橢圓區(qū)(auroral oval)(見圖見圖5)，它包含穿過等離子體片磁場(chǎng)，它包含穿過等離子體片磁場(chǎng)線的根部。極光橢圓區(qū)的里邊是線的根部。極光橢圓區(qū)的里邊是極蓋區(qū)極蓋區(qū)(polar cap),穿過它的磁穿過它的磁場(chǎng)線與磁尾瓣相連接。場(chǎng)線與磁尾瓣相連接。*磁

47、層電流磁層電流上述的等離子體通常不是固定不動(dòng)的而是在外力的影響下運(yùn)動(dòng)。上述的等離子體通常不是固定不動(dòng)的而是在外力的影響下運(yùn)動(dòng)。有時(shí)電子和離子一起運(yùn)動(dòng)，如太陽風(fēng)那樣。但在其它時(shí)候和有時(shí)電子和離子一起運(yùn)動(dòng)，如太陽風(fēng)那樣。但在其它時(shí)候和在別的等離子體區(qū)域，離子和電子朝著不同的方向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)在別的等離子體區(qū)域，離子和電子朝著不同的方向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生了電流。生了電流。ER31cm圖圖5 平均極光橢圓區(qū)和極蓋區(qū)平均極光橢圓區(qū)和極蓋區(qū)這些電流在地球等離子體環(huán)境動(dòng)力學(xué)中是很重要的，它們輸送著這些電流在地球等離子體環(huán)境動(dòng)力學(xué)中是很重要的，它們輸送著電荷，質(zhì)量，動(dòng)量和能量。此外，電流產(chǎn)生磁場(chǎng)可能劇烈地改電荷，質(zhì)量，動(dòng)量

48、和能量。此外，電流產(chǎn)生磁場(chǎng)可能劇烈地改變或擾動(dòng)任何事先存在的場(chǎng)。變或擾動(dòng)任何事先存在的場(chǎng)。實(shí)際上，地球偶極場(chǎng)變?yōu)榈湫偷拇艑有螤畹钠樽兙褪桥c電流相伴實(shí)際上，地球偶極場(chǎng)變?yōu)榈湫偷拇艑有螤畹钠樽兙褪桥c電流相伴隨的。正如圖隨的。正如圖6 6示意地表示的那樣，日側(cè)地磁場(chǎng)的壓縮聯(lián)系著示意地表示的那樣，日側(cè)地磁場(chǎng)的壓縮聯(lián)系著橫過磁層頂表面的電流，稱為橫過磁層頂表面的電流，稱為磁層頂電流磁層頂電流(magnetopause (magnetopause current),current),夜側(cè)磁層的尾形磁場(chǎng)是與磁尾表面上流動(dòng)的夜側(cè)磁層的尾形磁場(chǎng)是與磁尾表面上流動(dòng)的尾電流尾電流(tail current)(tai

49、l current)和在中心等離子體片中的和在中心等離子體片中的中性片電流中性片電流(neutral (neutral sheet current)sheet current)相伴隨的，如果沿日相伴隨的，如果沿日- -地連線看過去，這兩個(gè)地連線看過去，這兩個(gè)電流連接起來形成一個(gè)電流連接起來形成一個(gè) 形的電流體系。形的電流體系。另一個(gè)影響內(nèi)磁層位形結(jié)構(gòu)的大電流體系是所謂另一個(gè)影響內(nèi)磁層位形結(jié)構(gòu)的大電流體系是所謂環(huán)電流環(huán)電流(ring (ring current)current)。環(huán)電流是圍繞地球向西流動(dòng)的環(huán)電流是圍繞地球向西流動(dòng)的, ,它的徑向距離有幾它的徑向距離有幾個(gè)地球半徑個(gè)地球半徑, ,是

50、由前述的輻射帶粒子產(chǎn)生的。除了這些粒子的是由前述的輻射帶粒子產(chǎn)生的。除了這些粒子的振蕩運(yùn)動(dòng)外振蕩運(yùn)動(dòng)外, ,它們還圍繞地球緩慢地漂移。由于質(zhì)子向西漂移它們還圍繞地球緩慢地漂移。由于質(zhì)子向西漂移, ,而電子向東漂移運(yùn)動(dòng)而電子向東漂移運(yùn)動(dòng), ,這樣就構(gòu)成了一個(gè)純電荷輸運(yùn)。這樣就構(gòu)成了一個(gè)純電荷輸運(yùn)。在地球電離層的導(dǎo)電層中在地球電離層的導(dǎo)電層中100-150km100-150km高度上，也存在著一些電流高度上，也存在著一些電流體系，最顯著的是在極光橢圓內(nèi)的體系，最顯著的是在極光橢圓內(nèi)的極光電急流極光電急流(auroral (auroral electrojets)electrojets)，在日側(cè)中緯

51、度電離層中的在日側(cè)中緯度電離層中的 電流，電流，和磁赤道和磁赤道Sq附近的附近的赤道電急流赤道電急流(equatorial electrojet).除了這些垂直電流外除了這些垂直電流外,還有沿磁場(chǎng)線流動(dòng)的電流。如圖還有沿磁場(chǎng)線流動(dòng)的電流。如圖6所示，所示，場(chǎng)場(chǎng)向電流向電流把磁層中的磁層電流體系與極區(qū)電離層中的電流連接把磁層中的磁層電流體系與極區(qū)電離層中的電流連接起來。場(chǎng)向電流主要是由電子載流的，對(duì)這些區(qū)域的能量和起來。場(chǎng)向電流主要是由電子載流的，對(duì)這些區(qū)域的能量和動(dòng)量交換是很重要的。動(dòng)量交換是很重要的。圖圖6 磁層電流體系磁層電流體系碰撞碰撞等離子體中粒子之間相互作用總是不可避免的，有等離子體

52、中粒子之間相互作用總是不可避免的，有近距離的短程近距離的短程二體碰撞作用二體碰撞作用和和遠(yuǎn)距離的長(zhǎng)程電磁力作用。遠(yuǎn)距離的長(zhǎng)程電磁力作用。單個(gè)粒子間最簡(jiǎn)單的相互作用就是單個(gè)粒子間最簡(jiǎn)單的相互作用就是直接碰撞，直接碰撞，它是個(gè)別粒子間的它是個(gè)別粒子間的相互作用，或稱為短程二體碰撞作用。由于它不涉及大群粒子相互作用，或稱為短程二體碰撞作用。由于它不涉及大群粒子間長(zhǎng)程電磁力的相互作用，不是把等離子體作為一個(gè)整體來考間長(zhǎng)程電磁力的相互作用，不是把等離子體作為一個(gè)整體來考慮的相互作用，所以它不是集體等離子體效應(yīng)。慮的相互作用，所以它不是集體等離子體效應(yīng)。等離子體可以分為等離子體可以分為碰撞等離子體碰撞等離

53、子體和和無碰撞等離子體無碰撞等離子體兩類兩類. .在碰撞等在碰撞等離子體中，碰撞是足夠頻繁的，它要影響甚至控制等離子體的離子體中，碰撞是足夠頻繁的，它要影響甚至控制等離子體的行為。在無碰撞等離子體中，與場(chǎng)和粒子動(dòng)力學(xué)的任何相關(guān)變行為。在無碰撞等離子體中，與場(chǎng)和粒子動(dòng)力學(xué)的任何相關(guān)變化比起來，碰撞都是很稀少的并且可以忽略的。大多數(shù)空間等化比起來，碰撞都是很稀少的并且可以忽略的。大多數(shù)空間等離子體屬于無碰撞等離子體。離子體屬于無碰撞等離子體。碰撞等離子體還可以分為碰撞等離子體還可以分為部分電離等離子體部分電離等離子體和和完全電離等離子體完全電離等離子體兩類。部分電離等離子體包含大量剩余的中性原子或

54、分子，而兩類。部分電離等離子體包含大量剩余的中性原子或分子，而完全電離等離子體只由電子和離子組成。顯然，在兩類等離子完全電離等離子體只由電子和離子組成。顯然，在兩類等離子體中碰撞的類型必定很不同體中碰撞的類型必定很不同, ,因?yàn)橹行猿煞謱?duì)因?yàn)橹行猿煞謱?duì)CoulombCoulomb場(chǎng)沒有響場(chǎng)沒有響應(yīng)。應(yīng)。在部分電離氣體中，在部分電離氣體中，帶電成分和中性成分之間的帶電成分和中性成分之間的直接碰撞直接碰撞起支配作用，而起支配作用，而在完全電離等離子體中在完全電離等離子體中直接碰撞不重要并被直接碰撞不重要并被CoulombCoulomb碰撞碰撞所代替。所代替。* *部分電離等離子體部分電離等離子體在

55、部分電離等離子體中，多數(shù)碰撞發(fā)生在帶電粒子和中性粒子在部分電離等離子體中，多數(shù)碰撞發(fā)生在帶電粒子和中性粒子之間。中性粒子僅僅作為很重的障礙物影響帶電粒子的運(yùn)動(dòng)。之間。中性粒子僅僅作為很重的障礙物影響帶電粒子的運(yùn)動(dòng)。因此，因此，帶電粒子和中性粒子之間的碰撞可以處理為迎面直接帶電粒子和中性粒子之間的碰撞可以處理為迎面直接碰撞。碰撞。這樣的碰撞只發(fā)生在帶電粒子沿它的軌道直接撞擊中這樣的碰撞只發(fā)生在帶電粒子沿它的軌道直接撞擊中性原子或分子。因此，性原子或分子。因此，中性碰撞頻率中性碰撞頻率( (即每秒碰撞的次數(shù)即每秒碰撞的次數(shù)) ) 是與中性原子或分子的橫截面圓柱內(nèi)的中性粒子數(shù)是與中性原子或分子的橫截

56、面圓柱內(nèi)的中性粒子數(shù) 和和帶電粒子的平均速度帶電粒子的平均速度 成正比成正比分子的橫截面積可以近似為分子的橫截面積可以近似為 . .(7)nnnnvnnnnv19210nm類似地，可以把帶電粒子與中性粒子兩次碰撞之間能傳播的距類似地，可以把帶電粒子與中性粒子兩次碰撞之間能傳播的距離定義為離定義為平均自由程長(zhǎng)度平均自由程長(zhǎng)度在該定義中采用粒子的平均速度代替粒子本身的實(shí)際速度的原在該定義中采用粒子的平均速度代替粒子本身的實(shí)際速度的原因是，碰撞是不可預(yù)料的并且它只是在定義平均碰撞頻率和因是，碰撞是不可預(yù)料的并且它只是在定義平均碰撞頻率和平均自由程長(zhǎng)度時(shí)才有意義。平均自由程長(zhǎng)度時(shí)才有意義。在比較稠密的

57、和部分電離的空間等離子體中，如電離層，帶電在比較稠密的和部分電離的空間等離子體中，如電離層，帶電粒子和中性粒子之間的碰撞變得很重要，它們對(duì)復(fù)合，電阻，粒子和中性粒子之間的碰撞變得很重要，它們對(duì)復(fù)合，電阻，電流做貢獻(xiàn)，并引起帶電粒子橫越磁場(chǎng)的擴(kuò)散。電流做貢獻(xiàn)，并引起帶電粒子橫越磁場(chǎng)的擴(kuò)散。* *完全電離等離子體完全電離等離子體在完全電離等離子體中在完全電離等離子體中, ,帶電粒子通過它們的帶電粒子通過它們的CoulombCoulomb電場(chǎng)相互電場(chǎng)相互作用。作用。這些電場(chǎng)的存在意味著，這些電場(chǎng)的存在意味著，粒子在遠(yuǎn)大于原子半徑的粒粒子在遠(yuǎn)大于原子半徑的粒子間距處就被偏轉(zhuǎn)。子間距處就被偏轉(zhuǎn)。因此，因

58、此，Coulomb勢(shì)增大了碰撞粒子的橫勢(shì)增大了碰撞粒子的橫截面，但也導(dǎo)致截面，但也導(dǎo)致偏重偏重小角度偏轉(zhuǎn)。這兩點(diǎn)使得小角度偏轉(zhuǎn)。這兩點(diǎn)使得完全電離等離完全電離等離子體中碰撞頻率的計(jì)算變得相當(dāng)復(fù)雜。子體中碰撞頻率的計(jì)算變得相當(dāng)復(fù)雜。1.(8)nnnnvn進(jìn)一步的復(fù)雜性來自這一事實(shí)，在多粒子等離子體的進(jìn)一步的復(fù)雜性來自這一事實(shí)，在多粒子等離子體的DebyeDebye球內(nèi)，球內(nèi)，CoulombCoulomb勢(shì)被屏蔽，電場(chǎng)近似地被限制在勢(shì)被屏蔽，電場(chǎng)近似地被限制在DebyeDebye球中?？梢哉J(rèn)為，球中?？梢哉J(rèn)為，橫截面的等效半徑應(yīng)變得等于橫截面的等效半徑應(yīng)變得等于DebyeDebye長(zhǎng)度。但并不是這

59、樣的情長(zhǎng)度。但并不是這樣的情況，因?yàn)闆r，因?yàn)镈ebyeDebye球?qū)ψ銐蚋吣芰康牧Ｗ邮峭该鞯?。由于?dāng)逼近球?qū)ψ銐蚋吣芰康牧Ｗ邮峭该鞯摹Ｓ捎诋?dāng)逼近球中心時(shí)球中心時(shí)CoulombCoulomb勢(shì)很快增大，偏轉(zhuǎn)將主要出現(xiàn)在勢(shì)很快增大，偏轉(zhuǎn)將主要出現(xiàn)在DebyeDebye半徑內(nèi)，半徑內(nèi)，但大角度偏轉(zhuǎn)將仍然很少。形式上，在完全電離等離子體中的但大角度偏轉(zhuǎn)將仍然很少。形式上，在完全電離等離子體中的CoulombCoulomb碰撞頻率碰撞頻率有與有與(7)(7)式相同的函數(shù)關(guān)系，即有式相同的函數(shù)關(guān)系，即有問題在于確定問題在于確定CoulombCoulomb碰撞橫截面碰撞橫截面 。下面我們將介紹在完全電。下面

60、我們將介紹在完全電離等離子體中電子和離子間離等離子體中電子和離子間CoulombCoulomb碰撞頻率的簡(jiǎn)單推導(dǎo)。碰撞頻率的簡(jiǎn)單推導(dǎo)?？紤]一個(gè)重離子和一個(gè)電子之間的碰撞。由于離子質(zhì)量較大，可考慮一個(gè)重離子和一個(gè)電子之間的碰撞。由于離子質(zhì)量較大，可以把離子考慮成靜止不動(dòng)。當(dāng)電子逼近離子時(shí)，它將在離子的以把離子考慮成靜止不動(dòng)。當(dāng)電子逼近離子時(shí)，它將在離子的CoulombCoulomb場(chǎng)中被吸引向離子而偏轉(zhuǎn)，如圖場(chǎng)中被吸引向離子而偏轉(zhuǎn)，如圖7 7所示。在完全電離等所示。在完全電離等c.(9)eiecenv圖圖7 在與離子在與離子Coulomb碰撞期間電子的軌道碰撞期間電子的軌道離子體中離子體中, ,