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內(nèi)容簡(jiǎn)介

　　本書對(duì)地球輻射帶物理學(xué)最新的相關(guān)理論和觀測(cè)數(shù)據(jù)（截至2020年）進(jìn)行了詳細(xì)闡述、分析，尚屬國(guó)內(nèi)首次。該書因系統(tǒng)性闡述了輻射帶物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)、波粒相互作用的原理與過(guò)程，并將理論基礎(chǔ)與新的觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合得出新的結(jié)論和觀點(diǎn)。主要介紹了輻射帶的磁場(chǎng)和等離子體環(huán)境、磁層動(dòng)力學(xué)、帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的基本原理、等離子體物理學(xué)的基本概念和內(nèi)磁層中最重要的速度空間分布函數(shù)等輻射帶物理學(xué)基礎(chǔ)概念原理。在描述內(nèi)磁層等離子體波的一般現(xiàn)象以及波模式基礎(chǔ)上，將基礎(chǔ)理論與新觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合，討論了不同波（包括哨聲波、電磁離子回旋波、等離子層嘶聲波、赤道磁聲波）的驅(qū)動(dòng)因素、不同波模式對(duì)輻射帶粒子源和損失的作用、電子帶的結(jié)構(gòu)和演化等問(wèn)題。

作者簡(jiǎn)介

　　Hannu E.J.Koskinen和Emilia K.J.Kilpua是赫爾辛基大學(xué)理學(xué)院的空間物理學(xué)教授。1979年，Hannu在赫爾辛基大學(xué)的一門宇宙電動(dòng)力學(xué)課程中學(xué)習(xí)了磁場(chǎng)中的粒子動(dòng)力學(xué)。1981年，他搬到瑞典東南部城市烏普薩拉，在瑞典空間物理研究所烏普薩拉分部工作了6年多，期間參與了1986年2月發(fā)射的瑞典第一顆磁層衛(wèi)星維京號(hào)（Viking）低頻波儀器的建造。1985年，在Rolf Bostrm指導(dǎo)下，獲烏普薩拉大學(xué)博士學(xué)位。這一時(shí)期，他受到了Hannes Alfvén的思想影響，并對(duì)導(dǎo)向中心近似理論產(chǎn)生興趣。1987年，在維京號(hào)任務(wù)取得巨大成功后，Hannu返回芬蘭，在芬蘭氣象研究所（FMI）從事初興的太空研究工作。1997年，在芬蘭氣象研究所供職的同時(shí)擔(dān)任赫爾辛基大學(xué)物理系空間物理學(xué)教授。2014—2017年期間，擔(dān)任赫爾辛基大學(xué)物理系主任。2018年，以名譽(yù)教授身份退休。Hannu已教授空間物理、經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)等課程超過(guò)三十年，并為所授課程都編寫了芬蘭語(yǔ)教材，此外還與Emilia Kilpua合作撰寫了英文教材《等離子體物理導(dǎo)論》（Introduction to Plasma Physics）并由赫爾辛基大學(xué)學(xué)生組織 Limes r.y 出版。2011年，他的專著《空間風(fēng)暴物理學(xué)——從太陽(yáng)表面到地球》通過(guò)Springer/Praxis出版，是本書的主要參考著作之一。Hannu參加了十幾個(gè)航天器儀器項(xiàng)目，用于研究地球、火星、金星和丘留莫夫格拉西門科彗星（comet Churyumov-Gerasimenko）的等離子體環(huán)境。他曾在歐洲空間局擔(dān)任多個(gè)職位，包括太陽(yáng)系工作組成員（1993—1996年）、科學(xué)計(jì)劃委員會(huì)國(guó)家代表（2002—2016年）、空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃委員會(huì)成員（2010—2016年），并于2011—2014年擔(dān)任空間態(tài)勢(shì)感知計(jì)劃委員會(huì)主席。Hannu是芬蘭科學(xué)與文學(xué)學(xué)會(huì)、芬蘭科學(xué)與人文院、歐洲科學(xué)院和國(guó)際宇航學(xué)會(huì)的成員。20世紀(jì)90年代末，Emilia在赫爾辛基大學(xué)物理系師從Hannu Koskinen，并選擇太陽(yáng)活動(dòng)及其對(duì)磁層的影響作為她的碩士和博士研究課題，從此涉足空間物理學(xué)。她于2005年獲得博士學(xué)位，之后在加州大學(xué)伯克利分校空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始了為期3年的博士后研究。在那里，她在Janet Luhmann和Stuart Bale的指導(dǎo)下，利用最新的多個(gè)航天器的觀測(cè)成果，研究行星際空間中的太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)。2009—2015年，擔(dān)任芬蘭科學(xué)院研究員。2015年被芬蘭赫爾辛基大學(xué)物理系聘為空間物理學(xué)終身副教授，2020年晉升為教授。當(dāng)范艾倫探測(cè)器在2012年獲得首次有效觀測(cè)結(jié)果后，Emilia帶領(lǐng)當(dāng)?shù)乜臻g物理研究小組研究了磁層動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域不同太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)因素如何影響輻射帶。Emilia為本科生及博士生開(kāi)設(shè)了不同層次的空間物理課程，并為大學(xué)一年級(jí)學(xué)生講授電磁學(xué)導(dǎo)論，也是前文提到的教材《等離子體物理導(dǎo)論》（Introduction to Plasma Physics）的主要作者。Emilia在輻射帶和太陽(yáng)活動(dòng)領(lǐng)域指導(dǎo)了幾名博士生和博士后。2017—2022年，Emilia獲得著名的歐洲研究理事會(huì)聯(lián)合資助來(lái)研究太陽(yáng)磁通量繩及其磁鞘，并擔(dān)任芬蘭可持續(xù)空間卓越研究中心的小組負(fù)責(zé)人（2018—2023年）。Emilia還是芬蘭科學(xué)與人文院的成員。

圖書目錄

第1章輻射帶及其環(huán)境1
1.1輻射帶全貌1
1.2地球磁環(huán)境3
1.2.1偶極場(chǎng)3
1.2.2磁層電流系統(tǒng)導(dǎo)致的偶極場(chǎng)偏離5
1.2.3地磁活動(dòng)指數(shù)8
1.3磁層粒子和等離子體9
1.3.1外磁層10
1.3.2內(nèi)磁層10
1.3.3宇宙射線12
1.4磁層動(dòng)力學(xué)13
1.4.1磁層對(duì)流14
1.4.2地磁風(fēng)暴16
1.4.3亞暴18第2章近地空間中的帶電粒子20
2.1導(dǎo)向中心近似20
2.2漂移運(yùn)動(dòng)22
2.2.1E×B漂移22
2.2.2梯度和曲率漂移22
2.3磁層電場(chǎng)的漂移24
2.4絕熱不變量27
2.4.1第一絕熱不變量28
2.4.2第二絕熱不變量31
2.4.3第三絕熱不變量33
2.4.4回旋加速和費(fèi)米加速34
2.5偶極場(chǎng)中的帶電粒子35
2.6漂移殼39
2.6.1彈跳和漂移損失錐39
2.6.2漂移殼分裂和磁層頂陰影40
2.7在隨時(shí)間變化的近兩極場(chǎng)中的絕熱漂移運(yùn)動(dòng)42第3章從帶電粒子到等離子體物理學(xué)45
3.1基本等離子體概念45
3.1.1德拜屏蔽45
3.1.2等離子體振蕩47
3.2基本等離子體理論47
3.2.1弗拉索夫和玻爾茲曼方程48
3.2.2宏觀變量和方程49
3.2.3磁流體動(dòng)力學(xué)方程51
3.3從粒子通量到相空間密度52
3.4重要的分布函數(shù)54
3.4.1漂移和各向異性的麥克斯韋分布55
3.4.2損失錐和蝴蝶分布56
3.4.3卡帕分布57
3.5作用積分和相空間密度58第4章內(nèi)磁層中的等離子體波60
4.1輻射帶的波環(huán)境60
4.2弗拉索夫描述中的波61
4.2.1弗拉索夫方程的朗道解61
4.2.2朗繆爾波的朗道阻尼64
4.2.3朗道阻尼的物理解釋65
4.2.4磁化等離子體中弗拉索夫方程的解法66
4.3冷等離子體波71
4.3.1磁化等離子體中的冷等離子體波的色散方程72
4.3.2平行傳播（θ=0）74
4.3.3垂直傳播（θ=π/2）76
4.3.4在任意波法向角下的傳播77
4.4磁流體動(dòng)力學(xué)波78
4.4.1阿爾文波的色散方程78
4.4.2MHD Pc4～Pc5超低頻波81
4.5波模式的總結(jié)84第5章內(nèi)磁層中波的驅(qū)動(dòng)因素與性質(zhì)85
5.1波的增長(zhǎng)和衰減85
5.1.1宏觀不穩(wěn)定性86
5.1.2速度空間不穩(wěn)定性86
5.1.3波粒相互作用的共振88
5.2哨聲模和EMIC波的驅(qū)動(dòng)因素90
5.2.1各向異性驅(qū)動(dòng)哨聲波91
5.2.2哨聲模合聲波93
5.2.3合聲波激發(fā)的雙頻結(jié)構(gòu)94
5.2.4啁啾的形成和非線性增長(zhǎng)96
5.2.5合聲波的空間分布97
5.2.6各向異性驅(qū)動(dòng)EMIC波98
5.2.7多離子種類和 EMIC波99
5.3等離子層嘶聲和磁聲噪聲100
5.3.1等離子體層嘶聲波的驅(qū)動(dòng)100
5.3.2赤道磁聲波噪聲105
5.4超低頻Pc4～Pc5波的驅(qū)動(dòng)因素107
5.4.1外部與內(nèi)部驅(qū)動(dòng)因素107
5.4.2超低頻波的空間分布111第6章粒子源與損失過(guò)程114
6.1粒子散射和擴(kuò)散114
6.2波粒相互作用的準(zhǔn)線性理論117
6.2.1福克普朗克理論的要素117
6.2.2準(zhǔn)線性理論中的弗拉索夫方程119
6.2.3不同坐標(biāo)下的擴(kuò)散方程121
6.3環(huán)電流與輻射帶離子123
6.3.1環(huán)電流離子的來(lái)源123
6.3.2環(huán)電流離子的損失125
6.3.3輻射帶離子的來(lái)源與損失126
6.4電子的傳輸與加速128
6.4.1超低頻波的徑向擴(kuò)散128
6.4.2超低頻波對(duì)電子的加速作用130
6.4.3（α,p）空間中的擴(kuò)散系數(shù)132
6.4.4大振幅哨聲波與EMIC波對(duì)電子的擴(kuò)散作用133
6.4.5合聲波對(duì)電子的加速作用136
6.5電子損失138
6.5.1磁層頂陰影138
6.5.2等離子層中哨聲波引起的電子損失139
6.5.3合聲波與電子微暴引起的電子損失142
6.5.4EMIC波引起的電子損失145
6.6不同加速和損失過(guò)程在相空間密度的顯示147
6.7不同波模式的協(xié)同效應(yīng)148
6.8波驅(qū)動(dòng)粒子來(lái)源與損失的總結(jié)151第7章電子帶動(dòng)力學(xué)153
7.1輻射帶電子布居153
7.2標(biāo)稱電子帶結(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)154
7.3輻射帶動(dòng)力學(xué)的太陽(yáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)因素159
7.3.1大尺度日球?qū)咏Y(jié)構(gòu)的性質(zhì)及其地磁響應(yīng)160
7.3.2大尺度日球?qū)铀沧円鸬牡湫洼椛鋷ы憫?yīng)163
7.4電子帶之間的槽165
7.4.1源電子和種子電子注入槽區(qū)165
7.4.2不可逾越的屏障166
7.5存儲(chǔ)環(huán)和多電子帶168
7.6高能電子向大氣中沉降170附錄A電磁場(chǎng)與波175
A.1洛侖茲力和麥克斯韋方程175
A.2線性介質(zhì)中的電磁波177
A.3冷非磁化等離子體中的色散方程178附錄B衛(wèi)星與數(shù)據(jù)源181參考文獻(xiàn)185學(xué)術(shù)名詞索引200