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