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第1章　日地环境概论1

1.1 引言1

1.2 日地环境研究概述及研究历史2

1.2.1　太阳3

1.2.2　太阳风5

1.2.3　磁层-电离层-热层6

1.2.4　地磁和磁暴／亚暴9

1.2.5　极光11

1.2.6　行星和彗星12

1.2.7　宇宙线13

1.3　日地环境的性质14

1.3.1　线性波14

1.3.2　不稳定性15

1.3.3　非线性波16

1.3.4　湍流17

1.4　应用19

1.4.1　空间天气和空间气候19

1.4.2　等离子体天体物理学19

1.4.3　可控热核聚变20

1.5　结束语21

参考文献21

第一部分　太阳25

第2章　太阳内部——径向结构、旋转、太阳活动周25

2.1 引言25

2.2　径向结构26

2.2.1　整体性质26

2.2.2　热平衡和流体静平衡27

2.2.3　向绝热分层过渡28

2.2.4　混合长理论和对流模拟29

2.3 日震学32

2.3.1　定性描述33

2.3.2　反演频率谱33

2.3.3　太阳丰度问题35

2.3.4　太阳内部旋转速率35

2.3.5　局部区域的日震学37

2.4　太阳活动周37

2.4.1 蝴蝶图37

2.4.2　其他类太阳恒星上的周期活动38

2.4.3　巨极小38

2.4.4　活动区和活动经度39

2.4.5　扭转振荡39

2.5　发电机理论39

2.5.1　感应方程40

2.5.2　小尺度发电机41

2.5.3　平均场理论41

2.5.4　α的数值确定43

2.5.5　其他效应44

2.6　太阳周模型44

2.6.1　一维模型44

2.6.2　各种太阳发电机方案45

2.6.3　非线性饱和47

2.6.4　发电机的位置48

2.7　较差自转49

2.7.1　较差自转的平均场理论49

2.7.2　湍流数值模拟给出的？效应50

2.7.3　子午流动与斜压项50

2.7.4　近表面剪切层52

2.7.5　磁效应53

2.8　结论54

参考文献54

第3章　太阳大气56

3.1　引言56

3.1.1　太阳活动57

3.1.2　太阳认知的革命58

3.1.3　近期惊人的结果60

3.2　磁场作用63

3.2.1　基本方程63

3.2.2　磁波67

3.2.3　磁重联68

3.3 日珥73

3.4　太阳耀斑75

3.4.1 引言75

3.4.2　通过磁重联方式的能量释放76

3.4.3　耀斑发生条件78

3.4.4　耀斑爆发的灾变模型和不稳定模型79

3.5 日冕加热81

3.5.1　引言81

3.5.2　大尺度活动区加热的数值试验84

3.5.3　MHD波加热85

3.5.4　磁重联加热85

3.6　结论95

参考文献96

第4章　太阳风98

4.1　导论98

4.2 日冕99

4.3　密度与压力的向外衰减100

4.4　彗星与太阳微粒辐射101

4.5　宇宙线变化101

4.6　行星际空间中的等离子体102

4.7 日冕的状态103

4.8　流体力学与磁流体力学的理论基础104

4.9 日冕粒子的动力学状态107

4.10　磁流体力学108

4.11　日冕的流体力学膨胀110

4.12　日冕温度的充分条件113

4.13　与通过拉伐尔喷管时流体膨胀的相似性114

4.14　日冕膨胀的引力抑制115

4.15　太阳风密度和太阳物质流失116

4.16　太阳风中的磁场和流束118

4.17　讨论120

参考文献121

第5章 日冕物质抛射123

5.1 引言123

5.2　太阳上的CME125

5.2.1　性质125

5.2.2　是什么引发了CME：观测证据127

5.2.3　理论思想133

5.3　行星际日冕物质抛射（ICME）134

5.3.1 在1AU处的性质134

5.3.2　把太阳部分与行星际部分结合起来136

5.4　结论与展望137

参考文献138

第6章　太阳射电发射140

6.1 引言140

6.2　射电波传播142

6.2.1 基础知识142

6.2.2　射电波的散射144

6.3　太阳热辐射144

6.3.1　微波波段144

6.3.2　分米-米波波段145

6.4　太阳射电爆发146

6.4.1　辐射机制147

6.4.2　电子束147

6.4.3　无碰撞激波的遥跟踪149

6.4.4　耀斑的后随射电辐射和大尺度湍流150

6.5　波和粒子的就地测量152

6.6 日冕物质抛射和行星际日冕物质抛射的射电特征153

6.6.1　耀斑／CME事件：日冕的爆出和角扩展154

6.6.2　CME的直接射电成像156

6.6.3　行星际日冕物质抛射（ICME）157

6.7 结论：射电观测与认识日地环境的关系157

参考文献158

第二部分　地球163

第7章　磁层163

7.1 引言163

7.2　磁场结构165

7.3　磁层电场173

7.4　磁层带电粒子181

7.5　总结195

参考文献196

第8章　电离层198

8.1　电离层的产生与结构199

8.1.1 电离过程199

8.1.2　初级电离层产物204

8.1.3　电离层结构205

8.2　动力学与耦合过程210

8.2.1 电动力学211

8.2.2　热力学215

8.2.3　场向输运219

8.2.4　耦合过程224

8.3　观测与模拟研究227

8.3.1　非相干散射雷达227

8.3.2　相干散射雷达229

8.3.3　模拟研究230

8.4　总结231

参考文献232

第9章　热层234

9.1 热层概要234

9.2　热层动力学基础238

9.2.1 湍流和重力波238

9.2.2　波和风场242

9.3　大气环流模式模拟248

9.4　观测251

9.5　极区热层动力学254

9.6　结束语256

参考文献257

第三部分　空间等离子体263

第10章　空间等离子体263

10.1　等离子体特性263

10.2　空间等离子体中的粒子266

10.2.1　带电粒子在均匀磁场中的运动267

10.2.2　粒子漂移267

10.2.3　磁镜269

10.2.4　粒子在偶极磁场中的运动271

10.2.5 电流271

10.3　等离子体的数学描述272

10.4　作为磁流体（MHD）的等离子体275

10.4.1　MHD方程276

10.4.2　磁场的运动278

10.4.3　磁流体动力学平衡280

10.4.4　传输系数：电导率280

10.5　空间等离子体波281

10.5.1 电磁波282

10.5.2　磁化等离子体的介电常数284

10.5.3　静电波286

10.5.4　磁流体动力学波288

10.5.5　等离子体波的动力学理论289

10.5.6　表面波290

10.6　平衡及其稳定性292

10.6.1　界面不稳定性293

10.6.2　双流不稳定性295

10.6.3　撕裂模不稳定性296

10.7　结论297

参考文献297

第11章　磁重联299

11.1 引言299

11.2　磁层顶重联300

11.2.1　开场线的形成与拓扑结构300

11.2.2　磁流体力学框架下的磁层顶结构303

11.2.3　磁层顶重联的直接结果308

11.3　磁尾内的重联310

11.3.1　磁尾重联的位置311

11.3.2　重联区的结构313

11.3.3　磁尾重联的结果319

11.3.4　近地重联的起因325

参考文献327

第12章 空间等离子体中的非线性过程329

12.1 引言329

12.2　电磁波的受激散射330

12.3　等离子体中共振三波相互作用334

12.4　场向阿尔文波的参数不稳定性337

12.5　动力学阿尔文波驱动的带状流动339

12.6　有质动力和等离子体密度修正342

12.7　调制的圆偏振色散阿尔文波344

12.8　电子焦耳加热345

12.9　DSAW之间的自相互作用345

12.10　非线性漂移-Alfvén-Shukla-Varma模346

12.11　概要和结论349

参考文献349

第四部分 日地环境中的过程355

第13章　极光355

13.1 引言355

13.2　极光的地理分布356

13.3　极光光谱、极光强度和能量359

13.4　极光形态和结构361

13.5　极光亚暴和极光暴366

13.6　极光电动力学和能量粒子沉降368

13.7　极光与各种太阳和地球物理现象的相关371

13.8　作为等离子体源的极光373

13.9　极光是一种宇宙现象374

13.10　结束语376

参考文献376

第14章　地磁暴378

14.1　引言378

14.2　什么是地磁暴？379

14.3　磁暴的主要特征——环电流380

14.4　磁暴的太阳风起因383

14.5　磁暴期间磁层的几何特性384

14.5.1　极光电集流385

14.5.2　极光卵385

14.5.3　驻点距离386

14.5.4　稳定的捕获边界386

14.6　磁层中的暴时磁场和暴时电场386

14.6.1 电流的空间分布386

14.6.2 不同电流体系对Dst的贡献387

14.6.3　磁层中的暴时电场390

14.7 关于磁暴动力学未解决问题的讨论391

14.7.1 太阳风参数对Dst的影响391

14.7.2 亚暴膨胀相对Dst的影响393

14.7.3　是什么引起暴时极光卵的赤道向漂移？394

14.7.4　为什么IMF南向分量会影响Dst？395

14.8　总结396

参考文献397

第15章　亚暴399

15.1　观测399

15.1.1　历史回顾399

15.1.2　亚暴概念演化的观测基础：卫星时代以前401

15.1.3　亚暴概念演化的观测基础：卫星时代403

15.1.4　太阳风是亚暴的驱动源406

15.1.5　亚暴的光学演化和磁场演化：个例研究406

15.2　认识亚暴的物理模型411

15.2.1　近地中性线模型（NENL）411

15.2.2　近地电流中断模型（NECD）413

15.2.3　边界层动力学模型（BLD）414

15.3　结束语416

参考文献418

第16章　磁层超低频波421

16.1 引言421

16.2　磁流体波线性理论424

16.2.1　均匀场424

16.2.2　偶极场426

16.3　地磁脉动的源427

16.3.1　上游波427

16.3.2　开尔文-赫姆霍兹不稳定性（KHI）428

16.3.3　离子回旋不稳定性428

16.4　电离层效应和磁力线本征周期429

16.5　磁力线共振430

16.6　空腔共振432

16.7　低频脉动432

16.8 中频脉动434

16.9　磁力线共振及其磁层诊断436

16.10　空腔／波导模439

16.11　高频脉动440

16.12　不规则脉动442

16.13　结论444

参考文献445

第17章　空间天气448

17.1 引言448

17.2　早期技术：电报与无线电449

17.3　电器技术的发展452

17.4　太空时代与空间天气454

17.4.1 电离层与大地电流456

17.4.2　电离层与无线电456

17.4.3　太阳射电噪声457

17.4.4　空间辐射效应458

17.4.5　磁场变化462

17.4.6　微流星体（和空间碎片）462

17.4.7　大气层：低轨飞行器的阻力463

17.4.8　大气水蒸气463

17.5　政策问题464

17.6　总结464

参考文献465

第18章　地球大气层的太阳活动周期效应469

18.1 引言469

18.2　数据与方法470

18.3　平流层的变化471

18.4　11年太阳黑子周对平流层的影响473

18.4.1 北半球冬季期间的平流层473

18.4.2　北半球夏季期间的平流层477

18.5　对流层中的太阳活动信号482

18.6　QBO与太阳之间的关系483

18.7　模式与机理486

18.8　总结487

参考文献488

第五部分　太阳系中的行星和彗星第19章　行星磁层493

19.1 引言493

19.2　控制磁层位形及其动力学的参数493

19.2.1　流动等离子体的特性494

19.2.2　行星或卫星的特性496

19.2.3 控制磁层尺度和动力学的无量纲比值497

19.3　浏览行星磁层497

19.3.1　袖珍磁层498

19.3.2　快速旋转行星的巨大磁层504

19.3.3　未归类的磁层514

19.3.4　火星：一个特殊的行星516

19.4　总结：对地球的某些启示516

参考文献517

第20章　太阳与彗星的相互作用518

20.1 引言518

20.2　彗星储库519

20.3　彗核的特性521

20.4　与太阳辐射的相互作用523

20.5　与太阳风的相互作用526

20.6　作为太阳风探测器的彗星533

参考文献540

作者简介542

内容索引554