低频波加热和加速带电粒子的理论研究

波粒相互作用是空间等离子体、天体等离子体和实验室等离子体中能量传输和转换的基本物理过程，也是空间天气研究的主要科学问题之一。本项目将利用理论分析和数值模拟（粒子模拟，混合模拟，试验粒子方法等），研究低频波动（所括Alfven波，离子回旋波，哨声波等）通过共振和非共振相互作用加热和加速带电粒子的物理机制。完善自行研发的一种混合有限差分法，求解完整的Fokker-Planck方程，研究这种波粒相互作用导致高能电子随机加速的物理过程，并用于解释地球辐射带高能粒子的成因。探索和发展Alfven波通过非共振相互作用传输能量给带电粒子的物理机制，并应用这些机制到太阳大气，探讨其对太阳色球层、过渡区及日冕加热的贡献。

应用理论分析和数值模拟方法，研究了低频波动通过共振和非共振相互作用加速和加热带电粒子的物理过程。进一步发展了一种三维、高效、稳定的数值格式-混合有限差分法，求解了包含投掷角扩散、动量扩散、交叉扩散、径向扩散和绝热输运的完整的准线性Fokker-Planck方程，初步建立了地球电子辐射带的三维扩散模型。讨论了多种低频波模（合声波，嘶声波，电磁离子回旋波，快磁声波等）对辐射带粒子加速的影响。应用粒子模拟、混合模拟和试验粒子方法，研究了太阳大气和地球磁层中低频Alfvén波和静电孤波与带电粒子的相互作用。由于低频波和离子之间的非线性耦合，大振幅斜传播的Alfvén波和磁声波可以加热离子。而质子/质子不稳定性和α粒子/质子不稳定性能够激发斜传播的Alfvén波。研究了非稳态、超临界准垂直无碰撞激波的演化及其离子加速机制。结果表明，激波漂移加速机制总是比激波冲浪加速机制更有效。研究了Alfvén波通过非共振相互作用对太阳风中次要离子的加热和加速。当Alfvén波振幅满足了随机加热的阈值之后，次要离子将通过非共振相互作用被Alfvén波拾起。在此过程中，非共振加热和随机加热起着关键作用。