编者按: 空间物理和空间天气学

开展对空间物理和空间天气学的研究, 有助于更好地了解并预报空间环境中发生的灾害性空 间天气事件, 为国家的航天和通信事业服务. 作为一个跨学科的研究领域, 对空间物理与空间天气 学的研究需要不同领域的科技工作者的共同关注, 促进其有序、快速地发展. 本专题就“空间物理与 空间天气学”领域中若干前沿的科学问题作了评述, 分别是无碰撞磁重联中的电子动力学、地球磁 尾等离子体片中的高速流、地球内磁层中的高能粒子, 以及电离层和太阳活动的关系. 主要内容介 绍如下. 磁重联提供了一种快速地将磁场能量转化为等离子体动能和热能的物理机制, 它与空间物 理和空间天气学中的许多爆发现象密切相关, 本专题的第一篇文章讨论了电子动力学行为在无碰 撞磁重联结构形成中的作用, 以及电子在其中的加速机制. 等离子体片中的高速流则是一种经常出 现在磁层剧烈扰动期间的现象. 第二篇文章简单回顾了高速流研究的历史, 介绍高速流的成因及与 极光的关联, 探讨了其与等离子体磁结构的异同及其与背景等离子体的相互作用, 以及高速流在磁 层亚暴过程中的作用. 辐射带中的能量电子与离子是首要的空间天气威胁, 理解这些粒子如何在辐 射带中被加速是空间物理和空间天气学领域的主要挑战之一. 第三篇文章总结了行星际激波在内 磁层激发的超低频(ULF)波对“杀手”电子与能量离子的快速加速的最新进展. 秉含着不同时间尺度 的太阳电磁辐射变化是调制电离层的主要因素, 电离层对太阳活动性的依存关系是认知电离层结 构与演变的基础. 第四篇文章简要地介绍了最近一些年在电离层的太阳活动性依赖特性方面取得 的进展. 有关内容供感兴趣的科技工作者参考.     

空间辐射物理及应用研究现状与挑战

空间辐射物理及应用主要研究航天器的辐射效应及提高其可靠运行能力的理论与关键技术,是涉及核科学与宇航电子学的交叉学科,主要包括空间辐射环境模拟、辐射测量、辐射效应与加固等.空间辐射损伤是影响航天器在轨长期可靠运行的重要因素之一,随着微电子和航天技术的发展,空间辐射物理研究面临许多新的挑战.本文围绕空间辐射环境研究与模拟、辐射测量技术、辐射效应机理、电子元器件与系统抗辐射加固技术等方面,深入分析国内外研究现状、热点及面临的挑战,梳理急需解决的关键基础问题,提出我国空间辐射物理及应用研究发展建议.     

磁化非均匀等离子体中的太赫兹辐射研究

通过数值模拟研究了相对论强激光入射到密度在10¹⁹ cm^-3附近的非均匀磁化等离子体中由模式转换机制产生的太赫兹(THz)辐射. 研究表明, 改变磁场的大小和方向可以改变THz辐射的强度和方向, 与先前的解析理论符合. 同时模拟研究了激光入射角度对THz辐射的影响. 产生的THz辐射功率在MW量级以上, 场强可以达到几十MV/cm, 可以用来研究THz非线性物理.     

温密物质特性研究进展与评述

温密物质属于高能量密度物理的一部分,包含着广泛而丰富的物理现象.它是惯性约束聚变(ICF)、重离子聚变、Z箍缩动作等过程中物质存在和发展的重要阶段,其热力学、光学和辐射等性质,决定着该阶段物质的宏观流体运动,以及物质与辐射场相互作用中的能量输运和转换.因此,温密物质性质的不断深入研究、相关参数如状态方程和辐射输运性质的不断精密化,在ICF、Z箍缩等高技术、以及地球、行星内部结构等研究中具有重要的科学意义和应用背景.本文重点介绍和评述了在实验室条件下温密物质产生、诊断及数值模拟技术的研究进展,以及冲击波物理与爆轰波物理重点实验利用二级轻气炮驱动飞片撞击靶板产生强冲击波、压缩气体产生温密物质状态诊断与数值模拟技术的新进展,最后对未来温密物质发展方向进行了展望、总结和建议.     

探讨我国在太阳物理领域中螺度研究的进展

太阳是距离地球最近的恒星,不仅对于日地空间环境具有重要的影响,而且作为独一无二的天然等离子体实验室,有助于理解宇宙中电磁相互作用的基本过程.螺度作为描述矢量场属性的基本参量,在理解太阳物理研究的核心课题——太阳磁场的起源和磁场能量的释放机制方面具有重要意义.本文探讨了螺度的基本概念(包括磁螺度、电流螺度、运动学螺度等),以及我国太阳物理学家在螺度研究中的主要进展,并对未来太阳物理中螺度研究的问题做了一些探讨.     

驱动太阳磁周期的原因是什么?

太阳磁活动强度呈现大约11年的周期性变化,这是太阳内部等离子体湍动对流和磁场相互作用的结果,即太阳的磁流体力学发电机过程.由于对流层强分层、湍流和非线性的特征,人们远不能通过真实太阳物理参数的全球磁流体力学的数值模拟来认识太阳磁周期的演化.简化的发电机模型,如轴对称运动学平均场发电机模型在理解太阳磁周期方面取得了长足进步.磁场的极向分量和环向分量在一定速度场的作用下相互维持,使得磁场能持续的周期性变化.其中的关键物理问题包括:产生环向场的机制和位置,产生极向场的机制和位置,环向场浮现到表面产生具有倾斜角黑子的物理过程以及黑子赤道向迁移的机制.目前只有环向场的产生机制争议较少,其他的问题自20世纪60年代平均场发电机模型建立以来,不同时期有不同的主流认识和主流的发电机模型.过去十几年中Babcock-Leighton型磁通量输运发电机较为全面地解释了太阳磁周期变化的整体特征,但也面临一些新认知的挑战.包含环向磁流管浮现的三维Babcock-Leighton型发电机可能成为下一代主流的运动学发电机模型,它将和全球磁流体力学模拟并行发展,互相受益,提升对太阳磁周期的理解.     

无碰撞磁重联中的电子动力学

磁重联提供了一种快速地将磁场能量转化为等离子体动能和热能的物理机制, 它和空间 物理中的许多爆发现象密切相关. 另外, 空间环境中的等离子体基本上是没有碰撞的, 人们更加 关心的是无碰撞的磁重联过程. 本文从以下几个方面论述了电子动力学行为在无碰撞磁重联中 的作用. 在离子惯性长度尺度范围内, 离子和电子的运动是分离的, 由此产生的Hall 效应决定了 此区域中的重联电场. 另外, 电子的运动决定了重联平面内电流体系, 同时形成了沿分界线的电 子密度降低区域, 这种重联平面内的电流体系决定了垂直重联平面的第三方向磁场分量的结构; 在电子惯性长度尺度范围内, 电子压强分布的各向异性决定了在此区域内的重联电场的大小; 高 能量电子的产生是磁重联的一个重要特征, 重联电场在电子加速的过程中起着决定性的作用, 但 不同的磁场位形及其时空演化会影响电子加速的过程, 并决定电子的最终能量; 讨论了X 点附近 的次级磁岛不稳定性形成小磁岛的模拟结果和观测证据, 及其对电子加速的可能影响; 对电子动 力学行为在实验室等离子体磁重联中的进展也做了介绍. 最后, 指出了一些尚未解决的问题.     

表面热力学

表面物理是近十几年发展起来的一个综合性的研究领域,而表面热力学早在十八世纪七十年代就奠定了基础.统计热力学的主要创始人吉布斯对表面热力学倾注了极大的热情,并作出了重要的贡献.表面热力学对胶体、催化、吸附与分凝等现象的物理化学分析起着重要的作用.十九世纪初,由于晶体生长技术研究的需要,表面热力学取得了新的进展,得出了关于晶体表面平衡位形和稳定性的基本定理,形成了所谓“几何热力学”的分支.最近,由于超高真空技术和表面物理的迅猛发展,表面热力学日益显示出它的重要性.随着气体放电物理与受控核聚变研究的进展,利用等离子体的表面处理、电极表面现象、等离子体与金属表面相互作用的研究均已广泛开展.可以预期,表面热力学将获得迅速的发展.     

磁场重联扩散区域中磁零点结构的观测研究

磁重联是能量转换的非常重要的基本等离子体物理过程之一. 过去磁场重联的理论、数值模拟和观测研究, 大多是集中在二维模型下进行, 而实际的磁场重联涉及三维非线性过程, 对于三维情况下磁场重联及其相关的奇异结构的基本性质现在还未完全解决. 通过高斯积分引入Poincaré指数, 将其离散化, 利用Cluster四颗卫星所测得的磁场, 研究了磁场重联扩散区中磁零点结构, 通过计算零点位置和轨迹, 估算了其运动速度和轨迹, 并结合零点附近电流的特征将观测与零点重联模型进行了比较和讨论.     

天体物理力学

近年来,由于观测技术和模拟计算的进展,在天体物理领域内,形成了一个重要的研究分支,这就是天体物理力学.它用气体动力学的方法,在考虑了物质和辐射的相互作用的基础上,研究和解释天体的各种动力学现象.     

等离子体片中高速流相关问题研究综述

等离子体片中的高速流自从被提出以来, 由于其经常出现在磁层剧烈扰动期间而备受 重视, 然而有关其形成机制和在磁层扰动过程中的作用, 特别是在整个磁层对流中的作用以及 磁层亚暴触发过程中的作用并不十分清楚. 本文简单回顾了高速流研究的历史, 介绍了高速流 的成因以及与极光的关联, 探讨其与等离子体磁结构的异同及其与背景等离子体的相互作用, 讨论了现有对高速流在磁层亚暴过程中作用的认识以及存在的问题, 并提出了高速流研究中 应当关注的几个关键科学问题.     

太阳爆发的结构和机制研讨会在南京成功召开

正太阳爆发活动是指太阳大气中磁场的剧烈变化引起的各类等离子体加热、加速和辐射增强现象,主要表现形式为日冕物质抛射和太阳耀斑,前者可抛射出巨量的磁化等离子体至行星际空间;后者可在短时间内释放出大量的高能粒子与辐射.它们是导致日地空间灾害性天气事件的重要源头.太阳爆发的研究涉及到多个重要的科学问题,包括磁     

磁约束等离子体中的射频波电流驱动和流驱动

射频波可以进入聚变等离子体,通过无碰撞机制将能量和动量沉积于其中,在加热等离子体的同时,还可以驱动等离子体电流和等离子体流.等离子体电流的非感应维持是托卡马克类型聚变装置稳态运行的关键,而电流剖面的控制及等离子体流的存在对于抑制磁流体不稳定性、建立和维持高性能的约束模式至关重要,因此射频波电流驱动和流驱动在磁约束聚变等离子体物理研究中有重要意义.本文从等离子体中波与粒子相互作用的基本物理出发,对磁约束等离子体中射频波电流驱动和流驱动的研究现状、面临的挑战、以及可能的研究趋势进行了简要评述.几个关键问题被特别指出,包括:共振吸收机制与高密度下射频波电流驱动效率衰减的内在联系;非共振驱动机制的可行性探讨;从动量获取和动量弛豫的平衡关系出发探索共振机制下提高驱动效率的可能性;流驱动中射频波的直接驱动和间接驱动效应,尤其是射频波有质动力效应;射频波耦合和传播过程中复杂的非线性过程对电流驱动和流驱动的影响等.     

高分子流体动力学问题的数值模拟与实验研究

数值方法在高分子流体动力学研究中占有十分重要的地位,但理论予示与实验事实之间仍存在着较大的差距。文章扼要地论述了高分子流体动力学问题的数值模拟方法,及实验验证方面的主要问题。强调实验流体及相应本构方程的选择,流场几何与流体动力学条件的严格控制在研究中的重要意义,并介绍了这方面的研究动向,和作者在这方面的研究结果。     

地球磁尾两种不同类型磁结构形成机理

观测表明，横越磁尾等离子体片和尾瓣的磁场By分量正比于行星际磁场By分量，并且行星际磁场与等离子体团内By分量极性相同，因此磁尾等离子体团应该是一个三维结构。以两类磁静平衡解为初态。对亚暴期间磁尾动力学过程作二维三分量模拟研究。数值结果展示了By分量两类不同的演化特征，它们分别与具有通量绳核心的磁结构及类似于“闭合环”等离子体团型磁结构相对应。由此认为，亚暴期间在地球磁尾中出现不同拓扑位形的磁结构可能与具有不同By分量分布形态的磁场重联有关。     

电场作用下电流变液滴的变形及力学行为

外加电场作用下的液滴变形及力学行为是电流体动力学研究的重要内容.基于volume-of-fluid(VOF)方法,将电场力作为源项添加到流体运动的Navier-Stokes方程中,提出了电流体流场与电场双向耦合的数值方法,分别研究了外加均匀电场与非均匀电场作用下,中性漏电液滴和带电液滴的变形/运动及其力学行为.小变形条件下,数值模拟得到的外加均匀电场中性漏电液滴的变形系数接近于理论值,验证了本文方法的正确性.研究结果表明,电场作用下液滴与周围介质物理属性的差异导致液滴表面不同的自由电荷再分配形式及其变形状态;相对于电场方向,中性漏电液滴可能会发生"扁长型"或"扁平型"变形.均匀电场下,中性漏电液滴内部形成稳定的回转运动,液滴不会发生宏观运动;对于存在净电荷的液滴,由于库仑力的作用,液滴不仅会发生变形,同时也会沿电场线方向运动.非均匀电场下,中性漏电液滴与带电液滴都会沿电场线运动,并发生不同的变形.本文所提出电流体流场与电场双向耦合的数值方法为静电喷雾、电泳等复杂的工程电流体动力学研究提供了理论基础.     

规则波在岛礁地形上传播的SPH模拟

结合周期性边界条件、水流循环技术以及动量源造波方法,本文建立了一个基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamic,SPH)方法的二维无反射数值波浪水槽,模拟了波浪在深海台礁上的传播变形过程,分析了该地形上波高和增水的沿程变化,并与物理模型试验结果进行了对比.结果表明,该数值模型可以较准确地模拟深海台礁上的波浪破碎和增水过程以及礁坪上波高和波浪增水的空间分布特征;在水槽左右两侧采用周期性边界条件和预留水流循环通道,能够有效解决竖向二维数值模型中由于礁坪上波生流引起的潟湖内水面的非物理性雍高及进而导致的礁坪上增水偏大的问题.     

磁云边界层中等离子体波的Wind飞船观测

根据Wind飞船上工作频率在4~256 kHz的热噪声接收器(TNR)的等离子体波和相关太阳风与磁场的观测资料, 我们分析了60余个磁云边界层样本中的等离子体波活动, 首次发现磁云边界层(BL)中常常存在不同于邻近太阳风(SW)和磁云体(MC)中的、丰富多姿的等离子体波活动. 它的一些基本特征是: 在电子等离子体频率(f_pe)附近的朗缪尔波增强是磁云边界层中最占优势的一种波活动, 约占总样本数的75%; 朗缪尔波和频率f < f_pe的离子声波活动都增强的事件, 约占所研究样本的60%; 也在一些边界层中于热噪声接收器整个频段内观测到一种宽频带的等离子体波活动增强现象, 约占研究样本的30%, 这在研究样本中的邻近太阳风和磁云体中没有观测到; 此外, 分析还揭示, 电子与质子温度比T_e/T_p≤1时还常能在磁云边界层中观测到离子声波增强活动, 传统的等离子体理论遇到了解释上的困难. 文中的新结果进一步说明磁云边界层是一种重要的动力学结构, 它将对了解磁云边界层物理提供重要的诊断, 也为发展空间等离子体波理论开拓新的空间.     

重味物理:通通往新物理之门

作为高能物理的重要分支,重味物理在精确检验标准模型和寻找可能的新物理信号方面发挥着重要作用.近20年来,随着B介子工厂、北京正负电子对撞机和西欧大型强子对撞机的运行,重味物理的研究取得了重大进展.两个B介子工厂发现的B介子系统衰变中的电荷-宇称联合对称性(charge conjugation and parity,CP)破坏,将有助于进一步研究宇宙中正反物质不对称性.中性正反粒子的质量差有助于进一步判定新物理的能标;重味介子非轻衰变的研究使得对量子色动力学以及因子化的研究达到新的高度;更有趣的是,目前重味物理中出现的各种反常,如RK(*)和R(D(*)),可能是新物理存在的迹象.除此之外,重味物理还是研究新强子态的重要场所.近年来在北京谱仪(Beijing spectrometer,BES-III)、B介子工厂以及LHC底夸克侦测器(large hadron collider beauty,LHCb)上发现的众多奇特强子态为研究夸克模型和量子色动力学提供了新的动力.2018年,高精度对撞机Belle-II将开机运行,国际直线对撞机、环形正负电子对撞机、超级Z工厂也在积极推进,它们在重味物理上都具有各自的优势.未来这些高精度、高能量对撞机会使重味物理进入新的黄金时期.     

磁流体力学数值模拟中的伪重联

在磙流体力学数值模拟中经常要引入对称边界，而对称边界条件的设定通常有２种方法：第一种是采用正常网格，对称轴位于第一列格点上；第二种是采用开拓网格，即将正常网格错开对称轴半格。发现采用开拓网格时，即使电阻为０，磁力线仍能重联，并导致其他非物理结果；采用第一种网格则可避免这些非物理结果。因此建议在磁流体力学数值模拟中采用正常网格，并指出磁中性线上格点的对减小数值电阻至关重要。