关于离子加热的探讨

两个要探讨的基本问题 如何定义等离子体的加热过程 ? 等离子体加热是否必然牵涉到耗散 ?

中性气体的加热 粒子与粒子间的碰撞具有决定性的 作用 加热使有序的运动转化为无规与随 机的运动 耗散是加热过程中的必然因素 因此加热是不可逆过程

加热过程的定义 从非线性力学的观点

加热过程的定义 从非线性力学的观点 从 Kinetic theory 的角度来定义

一些有关的名词与概念 Stochastic and regular motion Nonlinear resonance Wave packet and phase relation Turbulence and coherent waves

对等离子体来说 碰撞是效率很低的能量传输过程。 带电粒子的运动通常取决于波动而不是 碰撞。 等离子体物理的主流研究认为波与粒子 的共振是相互作用的主要过程。

对等离子体加热的主流想法 波与粒子的共振作用可以导致部分波能 被吸收，从而转化为热能。 但是波的能量如何转化为热能的过程有 待证明。 为此非线性力学可以提供一部分解释。

主流的加热概念 从单粒子非线性力学为出发点。 强调由非线性共振引起的随机运动 是主要加热过程。

我们希望知道 多粒子效应 如何定义 “Initial stochastic motion” 导致耗散的基本机理 如何估计相应的温度？ 如何联系动理理论 ?

与此同时我们正在探讨另外一种过程 这是今天的主题

20 多年前获得的模拟结果.

当时的一些困惑 为何形成快速的投射角扩散 ? 磁矩为何不守恒 ? 与加热过程是否有关 ? 回旋共振条件显然不满足。 等等。

后来的理解 投射角散射与相应的微观粒子运动 粒子的散射运动并不简单 非共振过程的效应远比想象的重要

数值讨论离子束流的演化

离子束流在速度空间的 “ 初始分布 ”

说明了几个问题 Turbulent randomization of particle motion 磁矩不守恒的道理 Alfven waves 可以导致很高的动 力温度.

启发了一种新的想法 几个前提 : 低 beta 等离子体 Turbulent 阿尔芬波 ( 剪切或者压缩 ) 波的谱较宽，波的相 “ 随机 ” 非共振波与粒子作用

关键的因素 Turbulent Alfven 波的磁场 在空间的 “ 随机性 ” 。 粒子的 “ 无规 ” 回旋运动使 得相对运动变得 “ 随机 ” 。 散射改变粒子运动的轨道 与特征。

研究伙伴 王传兵 中国科大 P. H. Yoon 马里兰大学

细节叙述于两篇文章里： Wang, Wu, & Yoon. PRL, 96, (2006) Wu & Yoon, PRL, 99, (2007)

主要结论 粒子 “ 有序 ” 的运动通过散射转变为 “ 无 序 ” 的运动。 Alfvenic turbulence 增强垂直方向温度 平行温度基本不变。

特征 个别粒子的运动是 ” 正规 ” 和 “ 有序 ” 的。 然而粒子与粒子间的相对运动可以 演化为 “ 无序 ” 与 “ 难以预测 ” 的。

数值讨论 考虑 25 个离子 具有极小的初始速度 但有不同 gyro phase angles 计算后续的轨道

结论 所讨论的加热过程并不涉及耗散。 因此过程是可逆的。 问题是：这算不算加热？ 就光谱观测的结果而言，它与一般加 热很难区别。

一种猜想 某些天体物理观测到的高温等离子 体现象未必反映真正的加热，因为 在有阿尔芬湍流存在的区域，由散 射引起的 “ 可逆加热 ” 就可能存在。