阿尔芬波非共振加热/加速离子的微观动力学特性研究

The heating and acceleration mechanism of the solar corona and solar wind is a long standing problem in solar and space physics. In the literatures, this problem have been widely discussed in the aspect of resonant wave-particle interactions. In recent years, it is revealed that when the low frequency Alfven waves do not satisfy the resonant condition, the charged particles could still be heated and accelerated by non-resonant wave-particle interactions. In this project, we will investigate the non-resonant wave-particle interactions by means of computer simulation with relevant observations, and mainly focus on the following contents. (1) Investigate the micro process of ions “picked up” by the Alfven waves via the non-resonant wave-particle interactions according to the observations, analyze the microscopic kinetic properties of the ions velocity distribution functions in different regions in the solar wind. (2) Investigate the change of the ion velocity and energy in the nonlinear stochastic heating process by the test particle simulation. Grope the dominant physical micro-mechanism in the energy transfer process from the waves to the ions in different Alfven wave heating mechanism. The relevant results will improve our understanding of the process that the solar charged particles been heated and accelerated by the Alfven waves, which have important scientific significance.

日冕和太阳风的加热/加速机制是太阳和空间物理中尚未完全解决的问题之一，传统文献中倾向于从波与粒子共振相互作用的角度解决问题。近年来，有研究人员指出低频的阿尔芬波在不满足波粒共振条件时，仍然可以通过非共振机制有效的加热与加速带电粒子。本项目拟通过计算机模拟的手段，结合一定的观测实际，针对以下内容展开研究。（1）结合实际观测资料，研究离子通过非共振波粒相互作用被阿尔芬波“拾起”的微观过程，分析离子速度分布函数在非共振加热中，离太阳不同距离处的不同特征。（2）通过试探粒子的手段，进一步研究非线性随机加热过程中，离子的速度、能量等参量变化情况，并结合不同的阿尔芬波加热机制，分析在能量从波动向粒子传输的过程中，有哪些物理机制起到了主导作用。相关的研究成果将增进我们对从太阳出发的离子被阿尔芬波加热/加速过程的了解，具有重要的科学意义。

本项目计划研究等离子体中阿尔芬波和带电粒子的相互作用过程，以期能够在日冕加热、太阳风加速、地球辐射带动态演化等自然过程中解释部分自然现象。由于在相关问题上，前期已经有很多研究者论了电磁波和带电粒子的共振回旋相互作用，本项目计划将研究点聚焦在等离子体中无法和带电粒子共振的低频电磁波与带电粒子之间的非共振相互作用。本项目具体内容包括，通过试探粒子的手段，研究非线性相互作用过程中，带电粒子的速度、能量等参量变化情况，并结合不同的阿尔芬波加热机制，分析在能量从波动向粒子传输的过程中，有哪些物理机制起到了主导作用。.通过本项目研究，得到的研究结果可以归纳为，（1）在太阳风中，低频阿尔芬波可以有效加热加速质子，能量将从阿尔芬波传递给质子。（2）在地球辐射带中，低频的电磁离子回旋波（EMIC波）可以在不发生回旋共振的条件下和电子有效相互作用，并明显改变电子的投掷角。.通过以上的研究结果，我们有理由认为，在日冕、太阳风、辐射带等自然等离子体中，低频大振幅的电磁波动有多种和带电粒子发生能量交换的机制。这些能量交换机制不依赖回旋共振条件，会显著改变低频电磁波和带电粒子的状态，在自然界中广泛存在。比如，在地球辐射带中的EMIC波的快速衰减和辐射带电子的沉降过程，太阳风中大振幅阿尔芬波的衰减以及离子的加热等过程中。这些结果有助于我们进一步认识自然界中的各种物理过程，增进我们对等离子体中低频波动和带电粒子相互作用过程的理解。