等离子体天体7.ppt

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1、第三章 共振散射 3.1 投射角散射投射角散射 共振散射共振散射共振散射共振散射导致星系宇宙射线通过星际等离子体扩散、导致星系宇宙射线通过星际等离子体扩散、导致星系宇宙射线通过星际等离子体扩散、导致星系宇宙射线通过星际等离子体扩散、太阳宇宙射线通过太阳风扩散。太阳宇宙射线通过太阳风扩散。太阳宇宙射线通过太阳风扩散。太阳宇宙射线通过太阳风扩散。它也限制了粒子在地球辐射带的捕获，并在扩散激波加速它也限制了粒子在地球辐射带的捕获，并在扩散激波加速它也限制了粒子在地球辐射带的捕获，并在扩散激波加速它也限制了粒子在地球辐射带的捕获，并在扩散激波加速和随机（或费米）加速中起着基本作用。和随机（或费米）加速

2、中起着基本作用。和随机（或费米）加速中起着基本作用。和随机（或费米）加速中起着基本作用。共振散射的特点是粒子本身会产生使它们散射的波。共振散射的特点是粒子本身会产生使它们散射的波。共振散射的特点是粒子本身会产生使它们散射的波。共振散射的特点是粒子本身会产生使它们散射的波。在波和粒子的共振相互作用中，能量和动量在波和粒子之间在波和粒子的共振相互作用中，能量和动量在波和粒子之间在波和粒子的共振相互作用中，能量和动量在波和粒子之间在波和粒子的共振相互作用中，能量和动量在波和粒子之间传递。在磁化等离子体中，如果波具有充分低的频率，则可在几传递。在磁化等离子体中，如果波具有充分低的频率，则可在几传递。在

3、磁化等离子体中，如果波具有充分低的频率，则可在几传递。在磁化等离子体中，如果波具有充分低的频率，则可在几乎没有能量传递的情况下出现显著的动量传递。这种低频下限对乎没有能量传递的情况下出现显著的动量传递。这种低频下限对乎没有能量传递的情况下出现显著的动量传递。这种低频下限对乎没有能量传递的情况下出现显著的动量传递。这种低频下限对应着投射角散射。应着投射角散射。应着投射角散射。应着投射角散射。2002-5-91等离子体天体物理课程讲义(7)3.3.1.1 1.1 低频下限低频下限低频下限低频下限 在任意低频的限制情况下，波频远小于回旋频率，而共振条件（在任意低频的限制情况下，波频远小于回旋频率，而

4、共振条件（在任意低频的限制情况下，波频远小于回旋频率，而共振条件（在任意低频的限制情况下，波频远小于回旋频率，而共振条件（2.82.8）退）退）退）退化为：化为：化为：化为：条件（条件（条件（条件（3.13.1）要求）要求）要求）要求|v|/k|或或或或vv其中其中其中其中v=/k 是波是波是波是波的相速度。的相速度。的相速度。的相速度。离子（或电子）与低频波产生共振相互作用的前提是必须超过速度阈值。离子（或电子）与低频波产生共振相互作用的前提是必须超过速度阈值。离子（或电子）与低频波产生共振相互作用的前提是必须超过速度阈值。离子（或电子）与低频波产生共振相互作用的前提是必须超过速度阈值。对于

5、离子与阿尔芬波或磁声波的共振，其色散关系为对于离子与阿尔芬波或磁声波的共振，其色散关系为对于离子与阿尔芬波或磁声波的共振，其色散关系为对于离子与阿尔芬波或磁声波的共振，其色散关系为 k vA，于是于是于是于是|k|v|导致导致导致导致v vA，其中其中其中其中v =vA 是相速度。低频极限对应着是相速度。低频极限对应着是相速度。低频极限对应着是相速度。低频极限对应着 vA 。只有速度大于阿只有速度大于阿只有速度大于阿只有速度大于阿尔芬速度的离子才有可能发生共振作用尔芬速度的离子才有可能发生共振作用尔芬速度的离子才有可能发生共振作用尔芬速度的离子才有可能发生共振作用。对于电子，可以将对于电子，可

6、以将对于电子，可以将对于电子，可以将s=时的（时的（时的（时的（3.13.1）写成）写成）写成）写成eB=|k|p|的形式。于是低频极限的形式。于是低频极限的形式。于是低频极限的形式。于是低频极限mi vA。实际上，这要求与磁流体波共振的实际上，这要求与磁流体波共振的实际上，这要求与磁流体波共振的实际上，这要求与磁流体波共振的电子是相对论性的。非相对论性电子可以与哨声波发生共振，其阈值为电子是相对论性的。非相对论性电子可以与哨声波发生共振，其阈值为电子是相对论性的。非相对论性电子可以与哨声波发生共振，其阈值为电子是相对论性的。非相对论性电子可以与哨声波发生共振，其阈值为v 43vA ，见第五章

7、所述。见第五章所述。见第五章所述。见第五章所述。3.1.2 3.1.2 发射和吸收的变化发射和吸收的变化发射和吸收的变化发射和吸收的变化2002-5-92等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-93等离子体天体物理课程讲义(7)3.1.3 3.1.3 以常动量以常动量以常动量以常动量p p扩散扩散扩散扩散2002-5-94等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-95等离子体天体物理课程讲义(7)3.1.4 3.1.4 扩散系数扩散系数扩散系数扩散系数2002-5-96等离子体天体物理课程讲义(7)请更正2002-5-97等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-98等离子体天体物理课

8、程讲义(7)3.1.5 3.1.5 磁场涨落磁场涨落磁场涨落磁场涨落2002-5-99等离子体天体物理课程讲义(7)3.2 由磁流体波导致的离子散射由磁流体波导致的离子散射3.2.1 3.2.1 磁流体波的特性磁流体波的特性磁流体波的特性磁流体波的特性 2002-5-910等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-911等离子体天体物理课程讲义(7)3.2.2 3.2.2 发射概率的近似式发射概率的近似式发射概率的近似式发射概率的近似式2002-5-912等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-913等离子体天体物理课程讲义(7)3.2.3 3.2.3 磁流体波的吸收系数磁流体波的吸收系

9、数磁流体波的吸收系数磁流体波的吸收系数2002-5-914等离子体天体物理课程讲义(7)3.2.4 3.2.4 投射角扩散系数投射角扩散系数投射角扩散系数投射角扩散系数2002-5-915等离子体天体物理课程讲义(7)3.3 共振波的生成共振波的生成3.3.1 3.3.1 波动增长率的条件波动增长率的条件波动增长率的条件波动增长率的条件2002-5-916等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-917等离子体天体物理课程讲义(7)3.3.2 3.3.2 各向异性流各向异性流各向异性流各向异性流2002-5-918等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-919等离子体天体物理课程讲义(7

10、)3.3.3 3.3.3 压缩与稀疏各向异性压缩与稀疏各向异性压缩与稀疏各向异性压缩与稀疏各向异性2002-5-920等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-921等离子体天体物理课程讲义(7)3.4 空间扩散空间扩散3.4.1 3.4.1 扩散方程扩散方程扩散方程扩散方程2002-5-922等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-923等离子体天体物理课程讲义(7)3.4.2 3.4.2 勒让德多项式展开勒让德多项式展开勒让德多项式展开勒让德多项式展开2002-5-924等离子体天体物理课程讲义(7)3.4.3 3.4.3 空间扩散系数空间扩散系数空间扩散系数空间扩散系数3.4.4

11、3.4.4 投射角扩散与空间扩散的关系投射角扩散与空间扩散的关系投射角扩散与空间扩散的关系投射角扩散与空间扩散的关系2002-5-925等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-926等离子体天体物理课程讲义(7)3.4.5 3.4.5 空间梯度引起的波增长空间梯度引起的波增长空间梯度引起的波增长空间梯度引起的波增长2002-5-927等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-928等离子体天体物理课程讲义(7)第四章 宇宙射线的散射 4.1 银河系宇宙射线银河系宇宙射线2002-5-929等离子体天体物理课程讲义(7)4.1.1 4.1.1 宇宙射线的谱宇宙射线的谱宇宙射线的谱宇宙射线的

12、谱2002-5-930等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-931等离子体天体物理课程讲义(7)4.1.2 4.1.2 宇宙射线的成分宇宙射线的成分宇宙射线的成分宇宙射线的成分2002-5-932等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-933等离子体天体物理课程讲义(7)4.1.3 4.1.3 星际介质特性星际介质特性星际介质特性星际介质特性2002-5-934等离子体天体物理课程讲义(7)4.1.4 4.1.4 宇宙射线的各向异性宇宙射线的各向异性宇宙射线的各向异性宇宙射线的各向异性2002-5-935等离子体天体物理课程讲义(7)4.1.5 4.1.5 宇宙射线的起源宇宙射线的起

13、源宇宙射线的起源宇宙射线的起源2002-5-936等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-937等离子体天体物理课程讲义(7)4.1.6 4.1.6 极高能宇宙射线极高能宇宙射线极高能宇宙射线极高能宇宙射线2002-5-938等离子体天体物理课程讲义(7)4.2 宇宙射线的自约束宇宙射线的自约束4.2.1 4.2.1 流分布的简单模型流分布的简单模型流分布的简单模型流分布的简单模型2002-5-939等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-940等离子体天体物理课程讲义(7)4.2.2 4.2.2 宇宙射线流产生的阿尔芬波宇宙射线流产生的阿尔芬波宇宙射线流产生的阿尔芬波宇宙射线流产生的

14、阿尔芬波2002-5-941等离子体天体物理课程讲义(7)4.2.3 4.2.3 中性流速度中性流速度中性流速度中性流速度2002-5-942等离子体天体物理课程讲义(7)4.2.4 4.2.4 自约束的有效性自约束的有效性自约束的有效性自约束的有效性2002-5-943等离子体天体物理课程讲义(7)4.3 流速度的减少流速度的减少4.3.1 4.3.1 流速度的演化流速度的演化流速度的演化流速度的演化2002-5-944等离子体天体物理课程讲义(7)4.3.2 4.3.2 前向和后向传播的波前向和后向传播的波前向和后向传播的波前向和后向传播的波2002-5-945等离子体天体物理课程讲义(7

15、)4.3.3 4.3.3 前向和后向波引起的散射前向和后向波引起的散射前向和后向波引起的散射前向和后向波引起的散射4.3.4 4.3.4 在星际介质和太阳风中的磁流体波在星际介质和太阳风中的磁流体波在星际介质和太阳风中的磁流体波在星际介质和太阳风中的磁流体波2002-5-946等离子体天体物理课程讲义(7)4.4 横越磁场的扩散横越磁场的扩散4.4.1 4.4.1 磁力线的游走磁力线的游走磁力线的游走磁力线的游走2002-5-947等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-948等离子体天体物理课程讲义(7)4.4.2 4.4.2 磁力线的磁力线的磁力线的磁力线的FokkerFokker-P

16、lanck-Planck方程方程方程方程2002-5-949等离子体天体物理课程讲义(7)4.4.3 4.4.3 磁力线整体磁力线整体磁力线整体磁力线整体2002-5-950等离子体天体物理课程讲义(7)4.4.4 4.4.4 FokkerFokker-Planck-Planck系数估计系数估计系数估计系数估计2002-5-951等离子体天体物理课程讲义(7)4.4.5 4.4.5 磁力线游走引起的横越磁场扩散磁力线游走引起的横越磁场扩散磁力线游走引起的横越磁场扩散磁力线游走引起的横越磁场扩散2002-5-952等离子体天体物理课程讲义(7)4.4.6 4.4.6 横越磁场扩散共振横越磁场扩散共振横越磁场扩散共振横越磁场扩散共振2002-5-953等离子体天体物理课程讲义(7)2002-5-954等离子体天体物理课程讲义(7)4.4.7 4.4.7 复合扩散复合扩散复合扩散复合扩散2002-5-955等离子体天体物理课程讲义(7)