等离子体与太阳风的组成及作用机制的探究

三，日冕等离子体的加热：
安培定律将电流和磁场密切地联系在一起．在日常生活中，相比于磁场，人们更关心的是电流，例如在一个电路中电流的产生、传输和能量在家用电器上的释放等。然而,在天体物理过程中可观测的基本物理量是磁场，电流一般都是通过磁场间接得到。太阳活动区中可供释放的自由磁能实际上就是活动区中电流系统的能量。
⑶.可以提出一个模型：用一个等价的共振电路表示载流等离子体环，该电路的电动势来自于光球内部物质的对流运动和磁场的相互作用，产生的电流通过载流等离子体环这个电路输送到日冕中，在日冕中通过一定的耗散机制将能量释放出来对日冕等离子体进行加热．故认为能量主要是通过离子粘滞性进行耗散，其效率大约是电子焦耳耗散加热的5倍。
《地球物理学报》
《太阳风中磁流体湍
《太阳风》
本文将主要从等离子体的组成，其产生以及随太阳风暴发的变化情况，对太阳风及等离子体做一些粗略的探究。
本文将从以下三个方面探究太阳风及等离子体的组成和作用机制
一．等离子体的组成
1等离子体片是地球磁层粒子和能量的储存库，Ｈ＋和Ｏ＋是其中最重要的两种离子成分．一般认为Ｈ＋主要来自太阳风，Ｏ＋主要来自电离层．太阳风粒子可以通过重联或黏性相互作用进入磁层，其中的一部分越过极区到达背阳面的磁尾，最后进入等离子体片中．太阳风的一部分能量通过电离层和磁层耦合作用，最终注入极区电离层．另一部分则以粒子动能和电磁能的形式储存在磁尾等离子体片中．因此，太阳风条件在一定程度上控制着等离子体片的物理过程．在磁暴期间，H+和O+相对含量是随时间变化的。
2在磁暴开始之前等离子体片中就迅速积聚了大量的Ｈ+离子．这可能是磁暴开始之前原本存留在等离子体片中的粒子得到加热，因而热质子的数密度增高．磁暴开始不久，等离子体片中的Ｈ＋离子含量迅速减少．在整个磁暴主相期间以及恢复相，Ｈ＋离子含量都处于相对较低水平，主要原因可能在于增强的对流，将这些热的粒子输运到近地区域．因此磁暴初期，从等离子体片注入环电流的离子主要是Ｈ＋离子，主相后期才有可能有较多的Ｏ＋离子从等离子体片中补充提供给内磁层．暴时等离子体片中的n（Ｏ+）／n（Ｈ+）增大，不仅仅是因为Ｏ＋的增多，也是因为Ｈ＋的含量降低
3此结论可由Cluster卫星所获取的数据得证，具体如下：
.磁暴开始前，Ｏ＋离子（０～４０ｋｅＶ）数密度保持在较低水平．随着磁暴的发展，Ｏ＋数密度缓慢上升；Ｈ＋离子（０～４０ｋｅＶ）数密度在磁暴开始之前的较短时间迅速增加并达到峰值，在磁暴开始之后迅速降低，并在整个主相和恢复相期间保持在相对较低水平．更高能量的离子则在磁暴开始后迅速增多，并在低能Ｏ＋离子达到峰值之前达到峰值．因此我们推测磁暴初期从等离子体片注入环电流的主要是Ｈ＋离子，主相后期Ｏ＋离子可能扮演更为重要的角色．
太阳的外层大气———太阳日冕，持续不断地向外膨胀从而形成由太阳径向外的等离子体流，通常被称为“太阳风”。太阳风使慧星形成很长的向着远离太阳方向伸延的慧尾。当人们欣赏美丽的慧尾的时候就可以想像太阳风的存在。在地球高纬区看到的多彩的极光现象，也是进入地球磁场的太阳风质子经加速后在地球大气中沉降而引起的。空间飞船的直接观测表明，太阳风从太阳大气最外层的日冕，向空间持续抛射出来的物质粒子流。这种粒子流是从冕洞中喷射出来的，其主要成分是氢粒子和氦粒子。
.
为了计算在体积V中由等离子体产生的磁场，假设电子和离子的速度分别为 和 ，则在实验室系中，r处的磁场为:
可见，磁场不为零的条件是等离子体中电子和离子存在速度差.对于一般的等离子体而言，如果没有外力的作用，其中可能不会产生电子和离子的速度差，因而不会有磁场存在。但对于像太阳这样的由等离子体组成的天体，因为在其对流层及大气中存在复杂的相互作用，因而存在各种湍动，电子和离子之间必定存在速度差，所以磁场的产生是必然的.由此可推断，宇宙天体大尺度磁场的产生来源于天体的较差自转及各种相互作用引起的电子和离子的速度差，而小尺度磁场的产生是天体局部各种相互作用的结果.
II.在地磁活动时期，太阳风密度和动压强与等离子体片中的Ｈ＋,Ｏ＋数密度存在一定相关性．等离子体片中的Ｈ＋离子对北向ＩＭＦ 较为敏感，而ＩＭＦ 南向条件下更有利于太阳风参数对等离子体片中Ｏ＋数密度的影响．在地磁活动平静期，太阳风条件对等离子体片中的离子没有明显影响．
二.太阳风中等离子体磁场的产生：
经典物理指出，磁场的产生有永久磁体和电流两种可能.对于天体而言，电流是产生磁场的唯一途径.要回答磁场的起源问题，应该弄清楚等离子体中磁场的本质，磁场到底来自哪儿?
下文中，我们主要讨论电流在等离子体加热的影响：
加热问题主要包括两个方面：加热的时空结构和加热机制，两者是相辅相成的．现有的加热机制可分为内部加热和外部加热两类．其中外部加热时，自由能是从磁环的外部传送到环内的．内部加热时，环内的自由磁能转化为等离子体的热能，例如电流以焦耳耗散方式转化为热能．目前还不能确定到底哪一种或哪几种加热方式是色球和日冕加热的主要机制．当今有几种不同的解释，分别为：
太阳大气中存在着许多剧烈的爆发过程，如耀斑、爆发日珥、日冕物质抛射等，它们在很短时间内释放出大量的能量，并引起物质的剧烈运动．一个大的爆发过程常常还伴随着强烈的电磁辐射和高能粒子发射，这些过程将产生一系列空间和地球物理效应，从而对航空、航天、卫星通讯、地面电力网的正常运转以及人们日常生活产生重大影响．因此，研究这些爆发过程的成因以及活动规律，不但对一般天体物理学问题具有基础性的学术意义，而且对现代社会生产发展和人们的物质生活都具有极其重要的现实意义．
（4）太阳风暴是否存在周期性（很多科学家假设以11年为周期，发生较大规模爆发），以及太阳风的种类和性质与成因的区别。
（5）太阳风的实际应用，如对其进行常规性的监测，以及是否能利用其作为能量的一种承载形式进行发电。
参考文献：
《Ulysses观测的太阳风结构的三维MHD模拟》
《电磁学》 张玉民戚伯云
《宇宙磁流体力学》 胡文瑞
⑴．电子和离子之间库仑碰撞产生的经典电阻率对日冕加热的贡献是非常小的，提高这种耗散的唯一途径是磁场发生变化，以及伴生的电流集中于电流片
⑵.电流环可被箍缩效应加热，箍缩效应是由环内外压力不平衡驱动的，环内电子和离子
在垂直于周围磁场方向上被加热，并出现温度分布的各向异性，这种分布能驱动等离子体不
稳定性的发展，高频电磁波可能就足由这种不稳定性激发的．
得 ；
为静止粒子的静电场.由此可见，磁场是运动带电粒子所具有的属性.运动带电粒子所产生的电磁场能量分别为:
；
在r处的能量密度分别为
；
比较2式可以看出，磁场能和电场能相比多了一个因子 ,在低速情况下，磁能比电场能要小的多。
2.等离子体的磁场：
等离子体是带电粒子的集合体，其中也存在大量的中性原子，它所包含的正负粒子的数量相当，因此整体上呈电中性一般来说，等离子体中由于各种相互作用的影响，等离子体及其中的粒子存在各种运动.假设等离子体中离子带电荷量为e,在体积V中，粒子数密度存在关系 = =n，则总电荷:
(1)粒子的加速问题。我们可以推测，粒子的加速与磁场变化有关，磁场的具体变化情况（从空间和时间维度上而言）、如何加速粒子等。
(2)等离子体中磁场产生和维持的本质，以及电流作为运动电荷的集体效应是如何反作用于粒子的。
（3）等离子体在随太阳风爆发的过程汇总，能量的释放过程以及载流等离子体本身的系统结构。
总结：
对于个人而言，这次的小论文写作过程中，很系统地对太阳风做了个了解，这是最大的收获，也开始学会对一些资料进行查找和筛选。另外，这次很大的感慨是，自己的知识储备太少了，仍需要努力学习，不断地充实自己,还希望老师指正。
对于文章而言，对太阳风及等离子体几个基本的方面做个了一个粗略的探究，涉及的方面是比较全面或者说综合性的，但是，限于天体物理研究的特点（对一些现象的探究仅限于观测），使得我们对这个具有重大意义的自然现象获得信息并不是太多，但是，随着科技的发展，特别是得益于太空活动进行的关于此方面的探究，如搭载于Cluster卫星的CIS/CODIF和RAPID仪器的观测数据，统计研究了等离子体片中的H+,O+离子在磁暴期间的时间变化特性，及其对太阳风条件的响应．也因此，有不少人根据获得的数据和观测的现象作了一些探究性的解释，建立相应的模型，以及对可能现象的假设。如对太阳风作动力学解释时，人们更倾向于用非线性湍流的假设来阐释。另外，文中所做的探究与分析，仍旧有未能很好的完善的，一是限于获得的信息与数据有限。二是自己之前相关的知识了解得并不多。关于未完善的主要有以下几方面，这些基本性的问题仍需磁场产生的本质，只要理解了磁场的本质，就不难解决宇宙天体中磁场的起源问题.
1.运动带电粒子的电磁场：
在相对于粒子静止的坐标系中，只有静电场，磁场为零:
；
经洛伦兹变换后，得到坐标系 粒子的电磁场：
E=(1- ) ;B=
其中r为粒子在坐标系 的位置矢量，v<<c,可忽略 项，