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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CME 125

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