太阳大气和太阳风中阿尔文波三维非线性不稳定性

Alfven waves are permeating the solar atmosphere and solar wind, being thought of as the major energy source of coronal heating and solar wind acceleration. The nonlinear instability of Alfven waves plays an important role in the propagation of these waves in the solar atmosphere and solar wind. When the perpendicular scale of the Alfven wave decreases, the one- or two-dimensional nonlinear instability of the Alfven wave becomes the three-dimensional instability in nature. Although it has been clearly explored the properties of the one- and two-dimensional nonlinear instability of the Alfven wave, there is no study giving the comprehensive picture for the three-dimensional nonlinear instability. This project will study the three-dimensional nonlinear instability of the Alfven wave in the nonlinear system between Alfven wave and slow/fast wave or in the general nonlinear equation of the Alfven wave under typical plasma parameters in the solar atmosphere and solar wind, exhibit the general picture of the three-dimensional nonlinear instability of the Alfven wave, explore the nonlinear damping mechanism of the Alfven wave in the solar atmosphere, explain the nonlinear physical processes associated with the observations of the fast/slow wave and multi-scale Alfven waves in the solar wind. This project will provide the fundamental theories for the understanding the physical mechanisms in the phenomena of multi-scale and multi-mode fluctuations relating to Alfven waves in the solar atmosphere and solar wind.

阿尔文波广泛地存在于太阳大气和太阳风中，被认为是日冕加热和太阳风加速的主要能量源。阿尔文波非线性不稳定性在太阳大气和太阳风中阿尔文波传播时的演化上具有重要作用。当阿尔文波垂直尺度减小时，其一维或二维非线性不稳定性转变为三维非线性不稳定性。目前已较清楚地揭示出阿尔文波一维和二维非线性不稳定性性质，但是尚未给出三维非线性不稳定性的完整图像。本项目将通过分析太阳大气和太阳风条件下的阿尔文波和慢波耦合系统中的三维非线性不稳定性、阿尔文波和快波耦合系统中的三维非线性不稳定性、以及阿尔文波一般非线性方程中的三维非线性不稳定性，给出阿尔文波三维非线性不稳定性的一般图像，揭示太阳大气中阿尔文波非线性阻尼机制，解释太阳风中快波和慢波观测、以及多尺度阿尔文波分布观测现象背后的非线性物理过程。本项目将为理解太阳大气和太阳风中与阿尔文波相关的多尺度和多模式波动现象中的物理机制提供基本理论基础。

阿尔文波、快模式波和慢模式波是三种基本等离子体波动模式，前两者更是日地空间环境中常见波动。与阿尔文波相关的波波相互作用一直被认为在阿尔文波演化中起着重要作用。近年来，与快模式波相关的波波相互作用也得到了广泛关注。本项目聚焦于阿尔文波和快模式波，开展了如下研究工作：在理论上研究了阿尔文波和快模式波的三维非线性不稳定性机制；在观测上研究了阿尔文波和快模式波的波波和波粒相互作用机制；研究了粒子处于非平衡热力学态时阿尔文波、快模式波和其它模式波的线性特征。. 本项目在以下方面取得重要成果。（1）给出了阿尔文波和慢模式波耦合的一般非线性动力学方程，发现当波尺度约为一千倍离子回旋尺度时，阿尔文波二维非线性不稳定性发展为三维不稳定性，三维不稳定性可以有效激发离子尺度的阿尔文波和慢波，从而揭示了阿尔文波二维和三维非线性不稳定性的完整物理图像。（2）推导了哨声波三波相互作用和四波相互作用的非线性色散方程的解析表达式，发现哨声波二维和三维非线性不稳定性具有相当大小的非线性增长率、并且可以激发大角度传播的哨声波，揭示了哨声波非线性不稳定性的完整物理图像。（3）基于Van Allen卫星观测，给出了三支哨声波相互作用的观测证据，证实了两支平行哨声波非线性激发低频斜传播哨声波的机制。基于MMS卫星观测，揭示了磁鞘中大振幅阿尔文波和哨声波与粒子速度分布的关联，证实了波粒相互作用在波激发和粒子速度分布演化中的重要作用。（4）发现哨声波共振频率在冷电子和热电子情况下分别对应着等离子体频率和电子回旋频率，揭示了热电子动力学效应对哨声波色散关系的影响。发现当粒子速度分布处于非平衡热力学态时，会激发多种不稳定性，从而反过来塑造粒子速度分布。. 本项目揭示了阿尔文波和快模式波的波波和波粒相互作用的基本特征，促进了对日地空间环境中多尺度波动和粒子动力学演化过程的深入理解。