等离子体天体物理学

等离子体天体物理学是现代天体物理学的基础理论之一，同时也为空间物理学、空间天气学等学科提供了重要的理论研究方法。《等离子体天体物理学》分四个部分。**部分主要介绍天体等离子体的基本理论，包括天体等离子体的主要特征、磁场的起源、对天体等离子体中的单粒子轨道描述、磁流体力学描述以及动理论描述，此外还介绍了等离子体中的波动理论。第二部分则主要介绍天体等离子体中的辐射机制以及电磁波在天体等离子体中的传播理论。其中重点介绍了相干辐射机制，包括电子回旋脉泽辐射和等离子体辐射。第三部分主要介绍天体等离子体中的粒子加速理论，包括费米加速、电场加速、湍流加速、激波加速等加速机制，同时还简要介绍了宇宙线物理及相关的高能粒子加速机制。第四部分是关于实验室天体物理的介绍，主要包括实验室天体物理的基本构想和对若干天体物理前沿问题的实验研究，包括实验方案、实验结果及相关的数据分析等。

目录
序言
**部分 天体等离子体的基本理论
第1章 等离子体天体物理概论 3
1.1 什么是等离子体？ 3
1.1.1 德拜屏蔽 6
1.1.2 朗缪尔振荡 8
1.1.3 等离子体中的碰撞 11
1.1.4 等离子体中的主要成分 18
1.2 何处有等离子体？ 19
1.2.1 闪电 20
1.2.2 极光 20
1.2.3 地球电离层和磁层 21
1.2.4 太阳及恒星 22
1.2.5 致密天体吸积盘 23
1.2.6 星云 24
1.2.7 宇宙 25
1.3 天体等离子体的主要特征 25
1.3.1 电磁作用在天体等离子体中的关键地位 26
1.3.2 天体等离子体与实验室等离子体的区别 27
1.4 等离子体天体物理的主要研究方法 28
1.5 等离子体天体物理的主要科学问题 33
思考题 37
参考文献 37
第2章 天体等离子体中的磁场 39
2.1 天体等离子体磁场的基本特征 40
2.1.1 地球磁场 40
2.1.2 行星磁场 44
2.1.3 太阳磁场 45
2.1.4 行星际磁场 49
2.1.5 恒星磁场 49
2.1.6 致密天体的磁场 50
2.1.7 星系磁场 52
2.1.8 无力场和有力场 54
2.2 天体等离子体中磁场的起源：发电机理论 55
2.3 太阳及恒星的磁活动周期 64
思考题 72
参考文献 72
第3章 天体等离子体中的单粒子轨道理论 74
3.1 天体等离子体中的单粒子轨道漂移原理 75
3.1.1 电场漂移 77
3.1.2 漂移运动的一般形式 82
3.1.3 引力漂移 83
3.1.4 非均匀磁场漂移 84
3.2 绝热不变性原理 88
3.2.1 磁矩不变量 89
3.2.2 纵向不变量 94
3.2.3 磁通不变性 95
3.3 单粒子轨道理论在天体物理中的应用 96
3.3.1 宇宙高能粒子的加速 96
3.3.2 日冕加热 97
思考题 111
参考文献 112
第4章 天体等离子体中的磁流体力学理论 114
4.1 磁流体力学方程组 116
4.1.1 磁流体力学方程组 118
4.1.2 磁压力和磁张力 121
4.1.3 等离子体流体的平衡 124
4.2 磁冻结、磁扩散、磁螺度 127
4.2.1 磁冻结效应 128
4.2.2 磁扩散效应 131
4.2.3 广义欧姆定律 133
4.2.4 磁螺度 134
4.3 天体等离子体中的宏观不稳定性 135
4.3.1 腊肠模不稳定性 141
4.3.2 扭*模不稳定性 143
4.3.3 螺旋不稳定性 144
4.3.4 撕裂模不稳定性 150
思考题 157
参考文献 158
第5章 天体等离子体中的动理论 159
5.1 等离子体动理论基本方程 161
5.1.1 分布函数 161
5.1.2 等离子体动理论基本方程 163
5.1.3 玻尔兹曼碰撞模型 164
5.1.4 朗道碰撞模型 166
5.1.5 福克尔–普朗克碰撞模型 167
5.1.6 无碰撞模型——弗拉索夫方程 172
5.2 等离子体中的阻尼过程 175
5.2.1 弗拉索夫处理方法 177
5.2.2 朗道处理方法 178
5.3 等离子体中的输运过程 182
5.3.1 天体等离子体中的主要输运过程 183
5.3.2 无磁场弱电离等离子体中的输运 184
5.3.3 完全电离等离子体中的输运 188
5.3.4 反常输运 190
5.4 天体等离子体中的微观不稳定性 191
5.4.1 微观不稳定性概论 191
5.4.2 微观不稳定性的分析方法 193
5.4.3 微观不稳定性与反常电阻 194
思考题 195
参考文献 196
第6章 天体等离子体中的波 197
6.1 波的基本概念 198
6.2 磁流体力学波 200
6.3 静电波 206
6.3.1 非磁化等离子体中的静电波 208
6.3.2 磁化等离子体中的静电波 213
6.4 等离子体中的电磁波 216
6.4.1 冷等离子体中垂直于磁场传播的电磁波 218
6.4.2 冷等离子体中平行于磁场传播的电磁波 221
6.4.3 法拉第旋转 223
思考题 225
参考文献 225
第二部分 天体等离子体中的辐射与传播
第7章 天体等离子体中的辐射转移理论 229
7.1 天体等离子体辐射的基本概念 229
7.1.1 等离子体中的辐射场 229
7.1.2 偏振特性 231
7.2 天体等离子体中的辐射转移方程 234
7.3 电磁波在等离子体中的传播理论 241
思考题 247
参考文献 248
第8章 天体等离子体中的非相干辐射机制 249
8.1 等离子体中辐射的基本特征 249
8.1.1 等离子体中的热辐射 249
8.1.2 激发辐射 252
8.1.3 复合辐射 253
8.1.4 单个带电粒子的电磁辐射 254
8.2 等离子体的轫致辐射 263
8.3 磁回旋辐射 269
思考题 278
参考文献 278
第9章 天体等离子体中的相干辐射机制 280
9.1 等离子体中的相干辐射导论 280
9.2 电子回旋脉泽辐射机制 284
9.3 等离子体辐射机制 290
9.4 太阳大气中的相干辐射的观测特征 295
9.5 脉冲星的辐射 305
思考题 310
参考文献 310
第三部分 天体等离子体中的粒子加速理论
第10章 费米加速机制 317
10.1 费米加速概念的提出 317
10.2 一阶费米加速 318
10.3 二阶费米加速 320
10.4 费米加速的能谱分析 322
思考题 328
参考文献 328
第11章 电场加速原理 329
11.1 Dreicer 场 330
11.2 亚 Dreicer 场加速 331
11.3 超 Dreicer 场加速 334
思考题 337
参考文献 338
第12章 湍流加速机制 339
12.1 湍流的基本概念 339
12.2 等离子体中的有质动力 342
12.3 等离子体湍流的激发 344
12.4 调制不稳定性 348
12.5 天体等离子体湍流的粒子加速 349
思考题 353
参考文献 353
第13章 激波加速机制 354
13.1 等离子体中的激波 354
13.2 激波漂移加速 357
13.3 激波扩散加速 361
思考题 365
参考文献 365
第14章 宇宙线物理与相关加速过程 366
14.1 高能宇宙线的成分及能谱 366
14.2 宇宙线的起源、加速和传播 373
14.3 宇宙线的探测 391
思考题 398
参考文献 399
第四部分 实验室天体物理模拟
第15章 实验室天体物理发展概述 403
15.1 实验室天体物理研究思想的形成 403
15.2 天体物理体系和实验室体系的标度变换 405
思考题 409
参考文献 409
第16章 实验室天体物理若干前沿问题研究 410
16.1 X 射线辐射不透明度实验室研究 410
16.2 光电离等离子体实验室研究 415
16.3 天体喷流的实验室研究 417
16.4 磁重联实验室研究 421
16.5 无碰撞激波的实验室研究 425
16.6 强磁场的产生 428
思考题 431
参考文献 431