太阳大气中的精细结构及其波动过程与加热机制

Solar activities are the source of causing the solar-terrestrial space environment fluctuations and space weather changes. The solar coronal heating and fine-structures formation are important, challenging problems in solar physics. In view of the formation and oscillation of fine-structures, the propagation and dissipation of associated waves, and the non-uniform heating and non-thermal acceleration of particles in the solar corona, our program plans to study in detail forming mechanisms of fine-structures, creation and propagation of waves in them, and microphysics of their heating processes, by the use of the theory of wave-particle interactions in magnetized plasmas and of numerical simulation methods, based on experimental results from in situ measurements in space plasmas and remote observations of the solar corona. The aim of this research program is to provide necessary theoretical bases for us to understand the physics of non-uniformly heating and structurized magneto-plasmas in the solar corona. In this program, there are three key points needed to solve, that is, the gyro-kinetic model suitable to describe kinetic Alfven waves, mechanisms of fine-structures of magneto-plasmas, and microphysics of non-uniform heating and non-thermal acceleration of plasma particles. The researches involved in this program are important not only for us to solve the plasma heating and structure forming in the solar corona, but also for us to understand better dynamical processes of plasmas and eruptive phenomena in the solar-terrestrial space environment.

太阳活动是日地空间环境扰动和空间天气变化的源头，日冕加热和精细结构是太阳物理领域最具挑战性的前沿科学问题之一。本项目针对日冕磁等离子体精细结构的形成与振荡、各种波动的传输与耗散、以及与之相关的等离子体非均匀加热和高能粒子非热加速等现象，运用磁等离子体波和波粒相互作用理论、结合数值模拟方法和回旋动力论模型、以空间卫星实地探测和太阳天文观测为实验基础。系统深入地研究磁等离子体结构丝化及其波动与加热过程的微观物理机制，为建立相应的物理模型提供必要的理论依据。拟解决的关键科学问题有：动力学阿尔文波的回旋动力论模型；磁等离子体精细结构的丝化形成机制；粒子非均匀加热与非热加速的微观能化机制。这项研究不仅对认识日冕结构中磁场与等离子体相互作用、特别是能量传输和转化的微观物理机制，解决日冕精细结构的形成、日冕波动演化、以及日冕加热等问题具有重要价值，而且对认识日地空间等离子体活动现象也具有重要的启发意义。

本项目自2015年获得国家自然科学基金委员会批准立项以来，项目课题组成员在项目执行期间（2016年1月1日至2020年12月31日）的5年时间里，围绕“太阳大气磁等离子体精细结构及其波动过程与加热机制”这一主题，按照项目研究计划的安排，从以下几个方面组织、开展了一系列研究工作：1）电子动力学尺度上的精细结构与太阳和行星际射电爆发机制；2）离子动力学尺度上的精细结构与日冕和太阳风等离子体加热机制；3）太阳大气和太阳风粒子束流传播动力学与电磁离子回旋波；4）太阳大气和太阳风等离子体中的阿尔文波湍动及其间歇性结构。有关研究成果已经撰写完成学术研究论文61篇（其中50篇已被SCI收录期刊接受发表，11篇尚在审稿中，详见附录一：完成论著目录）和学术专著1部（已获得《江苏省金陵科技著作出版基金》的出版资助，即将由Springer出版社和南京大学出版社联合出版）。取得的研究成果主要有：1）提出了基于快电子束传播动力学的电子回旋脉泽辐射新机制，及其辐射动力学谱的参数演化模型，为太阳射电爆发动力学谱呈现出的复杂的多样性与动态性特征，提供了更加一致合理的物理解释；2）提出基于动力学阿尔文波的太阳磁等离子体大气非均匀加热机制，以及不同太阳大气环境中动力学阿尔文波的产生机制，对太阳大气不同磁等离子体环境下的各种非均匀或反常加热现象给出了一致合理的物理解释；3）给出不同太阳风环境中电磁离子回旋波的统计分布特征，提出基于粒子束流传播动力学的电磁离子回旋波激发机制；4）发现太阳风内传阿尔文波占比随日心距离增加的观测证据，提出阿尔文波湍动谱中间歇性结构形成的物理机制。