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內(nèi)容簡介

　　本書對地球輻射帶物理學(xué)最新的相關(guān)理論和觀測數(shù)據(jù)（截至2020年）進(jìn)行了詳細(xì)闡述、分析，尚屬國內(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、波粒相互作用的原理與過程，并將理論基礎(chǔ)與新的觀測數(shù)據(jù)結(jié)合得出新的結(jié)論和觀點。主要介紹了輻射帶的磁場和等離子體環(huán)境、磁層動力學(xué)、帶電粒子在磁場中運動的基本原理、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)動因素、不同波模式對輻射帶粒子源和損失的作用、電子帶的結(jié)構(gòu)和演化等問題。

作者簡介

　　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)的一門宇宙電動力學(xué)課程中學(xué)習(xí)了磁場中的粒子動力學(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（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。這一時期，他受到了Hannes Alfvén的思想影響，并對導(dǎo)向中心近似理論產(chǎn)生興趣。1987年，在維京號任務(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)典電動力學(xué)等課程超過三十年，并為所授課程都編寫了芬蘭語教材，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)——從太陽表面到地球》通過Springer/Praxis出版，是本書的主要參考著作之一。Hannu參加了十幾個航天器儀器項目，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)任多個職位，包括太陽系工作組成員（1993—1996年）、科學(xué)計劃委員會國家代表（2002—2016年）、空間態(tài)勢感知計劃委員會成員（2010—2016年），并于2011—2014年擔(dān)任空間態(tài)勢感知計劃委員會主席。Hannu是芬蘭科學(xué)與文學(xué)學(xué)會、芬蘭科學(xué)與人文院、歐洲科學(xué)院和國際宇航學(xué)會的成員。20世紀(jì)90年代末，Emilia在赫爾辛基大學(xué)物理系師從Hannu Koskinen，并選擇太陽活動及其對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?？臻g科學(xué)實驗室開始了為期3年的博士后研究。在那里，她在Janet Luhmann和Stuart Bale的指導(dǎo)下，利用最新的多個航天器的觀測成果，研究行星際空間中的太陽爆發(fā)活動。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)范艾倫探測器在2012年獲得首次有效觀測結(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力學(xué)領(lǐng)域不同太陽風(fēng)驅(qū)動因素如何影響輻射帶。Emilia為本科生及博士生開設(shè)了不同層次的空間物理課程，并為大學(xué)一年級學(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在輻射帶和太陽活動領(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聯(lián)合資助來研究太陽磁通量繩及其磁鞘，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3
1.2.2磁層電流系統(tǒng)導(dǎo)致的偶極場偏離5
1.2.3地磁活動指數(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磁層動力學(xué)13
1.4.1磁層對流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漂移運動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回旋加速和費米加速34
2.5偶極場中的帶電粒子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在隨時間變化的近兩極場中的絕熱漂移運動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)動因素與性質(zhì)85
5.1波的增長和衰減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)動因素90
5.2.1各向異性驅(qū)動哨聲波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96
5.2.5合聲波的空間分布97
5.2.6各向異性驅(qū)動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100
5.3.2赤道磁聲波噪聲105
5.4超低頻Pc4～Pc5波的驅(qū)動因素107
5.4.1外部與內(nèi)部驅(qū)動因素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?？似绽士死碚摰囊?17
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波對電子的擴(kuò)散作用133
6.4.5合聲波對電子的加速作用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)動粒子來源與損失的總結(jié)151第7章電子帶動力學(xué)153
7.1輻射帶電子布居153
7.2標(biāo)稱電子帶結(jié)構(gòu)及其動力學(xué)154
7.3輻射帶動力學(xué)的太陽風(fēng)驅(qū)動因素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