等离子体物理学导论L7.ppt

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1、等离子体物理学导论L7 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命。有生命必有希望必有希望2.3曲率漂移曲率漂移粒子被洛仑兹力约束在磁力线上粒子被洛仑兹力约束在磁力线上,导心沿着力线导心沿着力线平行运动平行运动;若磁力线是弯曲的，则在导心坐标系中，若磁力线是弯曲的，则在导心坐标系中，粒子将感受到惯性离心力，并产生曲率漂移。粒子将感受到惯性离心力，并产生曲率漂移。惯性离心力可表示为惯性离心力可表示为漂移速度：漂移速度：曲率半径曲率半径考虑势场考虑势场(无旋场无旋场)或或无力场无力场(电

2、流与磁场平行电流与磁场平行)情况情况,证明证明:磁力线是弯曲的磁力线是弯曲的,则磁场必然是非均匀的则磁场必然是非均匀的.小结：由磁场不均匀性造成的效应：小结：由磁场不均匀性造成的效应：(1)磁镜效应磁镜效应由平行方向受到与梯度反向的作用力由平行方向受到与梯度反向的作用力(2)梯度漂移梯度漂移垂直方向受力产生梯度漂移垂直方向受力产生梯度漂移(3)曲率漂移曲率漂移弯曲力线中弯曲力线中,粒子沿磁力线运动时，受离心力粒子沿磁力线运动时，受离心力作用，产生曲率漂移作用，产生曲率漂移两种漂移运动两种漂移运动,通常同时存在通常同时存在:漂移方向一致漂移方向一致,但大小与动能及电荷有关但大小与动能及电荷有关产

3、生电荷分离与电场产生电荷分离与电场Q：给出具：给出具Maxwell分布（温度分布（温度T）的等离子体粒子）的等离子体粒子的两种漂移速度！的两种漂移速度！2.4缓变系统的绝热不变量缓变系统的绝热不变量(AdiabaticInvariants)（1）磁矩守恒）磁矩守恒（请验证这一组等式！）（请验证这一组等式！）磁矩守恒磁矩守恒迴旋轨道包围的磁通是守恒的迴旋轨道包围的磁通是守恒的在强场区，磁通在强场区，磁通/矩矩(角动量角动量)守恒要求粒子守恒要求粒子回旋轨道收缩和垂直动能增加回旋轨道收缩和垂直动能增加（2）纵向不变量）纵向不变量J(LongitudinalInvariant)证明该纵向不变量证明该

4、纵向不变量.该不变量在地磁场中约束的粒子运动中有重要该不变量在地磁场中约束的粒子运动中有重要应用应用.（3）第三绝热不变量）第三绝热不变量:漂移面总磁通守恒：磁通不变量漂移面总磁通守恒：磁通不变量在地磁场中的应用：在地磁场中的应用：在地磁场中，粒子的运动是三种不同时间尺度的在地磁场中，粒子的运动是三种不同时间尺度的运动形式的叠加：运动形式的叠加：1.迴旋运动迴旋运动磁矩守恒磁矩守恒2.两极间的磁镜反射之往返运动两极间的磁镜反射之往返运动地磁场基本对称时，粒子漂移一周地磁场基本对称时，粒子漂移一周后将回到同一根磁力线上后将回到同一根磁力线上3.漂移漂移时间尺度太长、系统不满足缓变条件时间尺度太长

5、、系统不满足缓变条件因此地球磁场中漂移面所含磁通一般不守恒因此地球磁场中漂移面所含磁通一般不守恒回旋回旋往返往返漂移漂移WESTIn1990,thesatelliteCombinedReleaseandRadiationEffectsSatellite(CRRES)discoveredathirdradiationbeltlocatedbetweentheinnerandouterVanAllenbelts.Also,aroundMay8,1998,therewereaseriesoflarge,solardisturbancesthatcausedanewradiationbelttofor

6、mintheso-called“slotregion”betweentheinnerandoutervanAllenbelts.Thenewbelteventuallydisappearedoncethesolaractivitysubsided.Nucleartestsinspaceartificialradiationbelts.StarfishPrime,damagedordestroyedasmanyasonethirdofthesatellitesinlowearthorbitatthetime(1962?).VanAllen辐射带的稳定存在反映了纵向不变量的近似守恒辐射带的稳定存在

7、反映了纵向不变量的近似守恒,Innerandouterradiationbelts:Theouterbelt:mainlyelectrons(0.110MeV)(3to10Re)Theinnerbelt:mainlyprotons(0.1to1.5Re)100MeV&electrons(hundredsofkev).Therelativedriftbetweentheionsandelectronsproducestheringcurrentinthegeomagnetosphere.AgapbetweentheinnerandouterVanAllenbelts,sometimescalle

8、dsafezoneorsafeslot,iscausedbytheverylowfrequency(VLF)waveswhichscatterparticlesinpitchanglewhichresultsinthelossofparticlestotheatmosphereDuringthedevelopmentofso-calledgeomagnetic storms,chargedparticlesareinjectedintotheVanAllenbeltsfromtheoutermagnetosphere,givingrisetoasharpincreaseintheringcur

9、rent,andacorrespondingdecreaseintheEarthsequatorialmagneticfield.Thefielddecreaseismeasuredbytheso-calledDst index,whichisbasedonhourlyaveragesofthenorthwardhorizontalcomponentoftheterrestrialmagneticfield.TheaboveFigureshowstheDstindexforthemonthofMarch1989.Theverymarkedreductionintheindex,centreda

10、boutMarch13th,correspondstooneofthemostseveregeomagneticstormsexperiencedinrecentdecades.Infact,thisparticularstormwassoseverethatittrippedoutthewholeHydroQuebecelectricdistributionsystem,plungingmorethan6millioncustomersintodarkness.MostofHydroQuebecsneighbouringsystemsintheUnitedStatescameuncomfor

11、tablyclosetoexperiencingthesamecascadingpoweroutagescenario.NotethatareductionintheDstindexby600nTcorrespondstoareductionintheterrestrialmagneticfieldattheequator.2.5不均匀电场的影响不均匀电场的影响假定电场具弱空间不均匀，将电场假定电场具弱空间不均匀，将电场Taylor展开展开至二阶小：至二阶小：运动主体仍为迴旋运动，叠加上电场漂移、运动主体仍为迴旋运动，叠加上电场漂移、电场不均匀性导致的速度扰动电场不均匀性导致的速度扰动运动方程化为：运动方程化为：新的扰动力项新的扰动力项则总的电场力写为：则总的电场力写为：相应的漂移速度为：相应的漂移速度为：Comments：1、可视为对原、可视为对原EXB漂移的修正项漂移的修正项2、修正项与电场垂直方向的二阶微商相关、修正项与电场垂直方向的二阶微商相关线性变化的电场中，与均匀电场漂移相同线性变化的电场中，与均匀电场漂移相同3、电漂移修正项与粒子种类、电漂移修正项与粒子种类(迴旋半径迴旋半径)有关有关电荷分离电荷分离电场电场将扰动力项对迴旋轨道积分，可得将扰动力项对迴旋轨道积分，可得Finite-Larmor-radiusEffect