湍动Alfvén波与等离子体非共振相互作用的物理研究

When the Doppler frequency of the Alfvén wave is much lower than the ion cyclotron frequency in plasma, the resonant interaction between the wave and ions can never happen in the linear theory. However, the phenomenon, a strong interaction between the Alfvén waves and ions, is often observed in the corona heating observation. In this project, lay emphasis on a high-order nonresonant phenomenon, which is brought about by wave-particle nonlinear interactions. The physical mechanism of the strong interaction is likely that the ion random action is essentially driven by the hybrid-order nonresonant effect. The research content is as follows: the two models, combining multi-scale expansion method and quasilinear theory, are analyzed and compared; the dynamic process of the non-resonant interactions between turbulent Alfvén waves and plasma is investigated; the mechanism of the wave-particle nonresonant interaction is interpreted via ion-rotation orbit, Poincare section and evolution of ion velocity distribution in time and phase space. This research is helpful to deeply comprehend the coronal heating by low-frequency Alfvén waves and formation of a new heating-plasma technology in the magnetic confinement fusion. The more important is that a novel theory clue, extending the principle of wave-plasma interaction, could be given.

当Alfvén波的多普勒频率远小于等离子体中的离子回旋频率时，虽然线性理论认为波与粒子之间并不具有共振关系，但日冕加热观测中仍观察到Alfvén波与等离子体存在着很强的相互作用。项目致力于波-粒非线性相互作用所导致的高阶次非共振现象的研究，提出，其混杂阶非共振效应驱动的离子随机运动本质上可能是这一相互作用的物理机制。研究内容包括：多标度展开法和准线性理论双模型的求解与对比；湍动Alfvén波与等离子体非共振相互作用的动力学过程研究；结合离子旋转轨道、庞加莱截面与速度分布函数在相空间、时空间的演变，展示其波-粒非共振相互作用的物理图像。项目的研究不仅有助于低频Alfvén波对日冕加热现象的理解和聚变等离子体加热新技术手段的形成，而且更重要的是，对于拓展波与等离子体相互作用规律的认识可能提供一条新的理论线索。

当Alfvén波的多普勒频率远小于等离子体中的离子回旋频率时，虽然线性理论认为波与粒子之间并不具有共振关系，但日冕加热观测中仍观察到Alfvén波与等离子体存在着很强的相互作用。从一个重要的角度，考虑到热非平衡因素，将准线性理论和试验粒子模拟相结合，研究了低频平行传播的阿尔芬波引起的Kappa离子温度各向异性，得到了平行和垂直方向离子温度比的解析表达式，将我们的模型结果与太阳风测量的观测结果相比较，它们普遍上是一致的。此研究满足强堆芯加热条件的太阳风氦离子的平均温度是氢离子的7倍。本文还预测了离子的温度各向异性如何依赖于其热非平衡因子。另外还研究了太阳风中低频率阿尔芬波对小质量离子的非共振随机加热。一个新的和完整的物理机制，使加热离子的低频平行传播波有限振幅在低等离子体。加热过程分为两个阶段:一是通过低频波-离子非共振相互作用俘获离子，离子能量增益取决于波电场能量与背景磁场能量的比值。第二，当速度接近阈值时，随机加热现象明显。离子的随机加热持续到平均平行速度接近波速为止。此外，在欧拉-拉格朗日混合描述框架下，建立了一个大扰动磁流体平衡系统来描述非线性阿尔芬波在理想磁流体中的传播。该系统仅依赖于参考流量变量和流体微元的位移矢量。得到了一些有趣的结果:非线性MHD波的波速；固定平衡磁场，大的负梯度位移可以产生定向磁流体波的不连续性；正压扰动或磁扰动可以产生高速的非线性阿尔芬波，而大的负压扰动或磁扰动可以产生低速的非线性阿尔芬波；大负磁扰动可能产生反传播的阿尔芬波。我们的结果与诸如不连续、反向传播的非线性阿尔芬波和星际空间中的超高速阿尔芬波等问题有很高的相关性。