內容簡介
為有力推動我國物理學研究、加快相關學科的建設與發展,特彆是展現近年來中國物理學者的研究水平和成果,北京大學齣版社在國傢齣版基金的支持下推齣瞭《中外物理學精品書係》,試圖對以上難題進行大膽的嘗試和探索。《中外物理學精品書係·引進係列(14)·等離子體天體物理學(第2部分):重聯與耀斑(影印版)》編委會集結瞭數十位來自內地和香港高校及科研院所的知名專傢學者。他們都是目前該領域十分活躍的專傢,確保瞭整套叢書的和前瞻性。
《中外物理學精品書係·引進係列(14)·等離子體天體物理學(第2部分):重聯與耀斑(影印版)》內容豐富,涵蓋麵廣,可讀性強,其中既有對我國傳統物理學發展的梳理和總結,也有對正在蓬勃發展的物理學前沿的全麵展示;既引進和介紹瞭世界物理學研究的發展動態,也麵嚮國際主流領域傳播中國物理的優秀專著。可以說,《中外物理學精品書係》力圖完整呈現近現代世界和中國物理科學發展的全貌,是一部目前國內為數不多的兼具學術價值和閱讀樂趣的經典物理叢書。
《中外物理學精品書係》另一個突齣特點是,在把西方物理的精華要義“請進來”的同時,也將我國近現代物理的優秀成果“送齣去”。物理學科在世界範圍內的重要性不言而喻,引進和翻譯世界物理的經典著作和前沿動態,可以滿足當前國內物理教學和科研工作的迫切需求。另一方麵,改革開放幾十年來,我國的物理學研究取得瞭長足發展,一大批具有較高學術價值的著作相繼問世。這套叢書首次將一些中國物理學者的優秀論著以英文版的形式直接推嚮國際相關研究的主流領域,使世界對中國物理學的過去和現狀有更多的深人瞭解,不僅充分展示齣中國物理學研究和積纍的“硬實力”,也嚮世界主動傳播我國科技文化領域不斷創新的“軟實力”,對全麵提升中國科學、教育和文化領域的國際形象起到重要的促進作用。
內頁插圖
目錄
1 Magnetic Reconnection
1.1 What is magnetic reconnection?
1.1.1 Neutral points of a magnetic field
1.1.2 Reconnection in vacuum
1.1.3 Reconnection in plasma
1.1.4 Three stages in the reconnection process
1.2 Acceleration in current layers why and how?
1.2.1 The origin of particle acceleration
1.2.2 Acceleration in a neutral current layer
1.3 Practice:Exercises and Answers
2 Reconnection in a Strong Magnetic Field
2.1 Small perturbations near a neutralline
2.1.1 Historical comments
2.1.2 Reconnection in a strong magnetic field
2.1.3 A linearized problem in ideal MHD
2.1.4 Converging waves and the cumulative effect
2.2 Large perturbations near the neutralline
2.2.1 Magnetic field line deformations
2.2.2 Plasma density variations
2.3 Dynamic dissipation of magnetic field
2.3.1 Conditions of appearance
2.3.2 The physical meaning of dynamic dissipation
2.4 Nonstationary analytical models of RCL
2.4.1 Self-similar 2D MHD solutions
2.4.2 Magnetic collapse at the zeroth point
2.4.3 From collisional to collisionless reconnection
3 Evidence of Reconnection in Solar Flares
3.1 The role of magnetic fields
3.1.1 Basic questions
3.1.2 Concept of magnetic reconnection
3.1.3 Some results of observations
3.2 Three-dimensional reconnection in fiares
3.2.1 Topological model of an active region
3.2.2 Topological portrait of an active region
3.2.3 Features of the fiare topological model
3.2.4 The S-like morphology and eruptive activity
3.3 A current layer as the source of energy
3.3.1 Pre-flare accumulation of energy
3.3.2 Flare energy release
3.3.3 The RCL as a part of an electric circuit
3.4 Reconnection in action
3.4.1 Solar flares of the Syrovatsky type
3.4.2 Sakao-type flares
3.4.3 New topologicalmodels
3.4.4 Reconnection between active regions
4 The Bastille Day 2000 Flare
4.1 Main observational properties
4.1.1 General characteristics of the flare
4.1.2 Overlay HXR images on magnetograms
4.1.3 Questions ofinterpretaion
4.1.4 Motion of the HXR kernels
4.1.5 Magnetic field evolution
4.1.6 The HXR kernels and field evolution
4.2 Simplified topological model
4.2.1 Photospheric field model. Topological portrait
4.2.2 Coronal field model. Separators
4.2.3 Chromospheric ribbons and kernels
4.2.4 Reconnected magnetic flux. Electric field
4.2.5 Discussion of topological model
5 Electric Currents Related to Reconnection
5.1 Magnetic reconnection in the corona
5.1.1 Plane reconnection model as a starting point
5.1.2 Three-component reconnection
5.2 Photospheric shear and coronal reconnection
5.2.1 Accumulation of magnetic energy
5.2.2 Flare energy release and CMEs
……
6 Models of Reconnecting Current Layers
7 Reconnection and Collapsing Traps in Solar Flares
8 Solar-type Flares in Laboratory and Space
9 Particle Acceleration in Current Layers
10 Structural Instability of Reconnecting Current Layers
11 Tearing Instability of Reconnecting Current Layers
12 Magnetic Reconnection and Turbulence
13 Reconnection in Weakly-Ionized Plasma
14 Magnetic Reconnection of Electric Currents
Epilogue
Appendix 1. Acronyms
Appendix 2. Notation
Appendix 3. Useful Formulae
Appendix 4. Constants
Bibliography
Index
前言/序言
中外物理學精品書係·引進係列(14)·等離子體天體物理學(第2部分):重聯與耀斑(影印版) 圖書簡介 本書是“中外物理學精品書係·引進係列”中的第14部著作,聚焦於現代天體物理學中一個至關重要且充滿活力的前沿領域——等離子體天體物理學。作為該領域的經典教材和研究參考書的影印版,本書的第二部分,《重聯與耀斑》,深入探討瞭宇宙中最具爆炸性和能量釋放現象的物理機製。 等離子體,作為物質的第四態,占據瞭宇宙中絕大多數可見物質的比例。恒星、星係際介質、星係團、活動星係核(AGN)、脈衝星以及太陽係內部等,無一不是在等離子體物理學的框架下運行的。理解這些極端天體環境中的能量如何被存儲、傳輸和快速釋放,是現代天體物理學試圖迴答的核心問題之一。本書的第二部分將焦點精確地對準瞭這種能量釋放的“引爆點”——磁重聯(Magnetic Reconnection)和由此引發的耀斑(Flares)現象。 磁重聯被認為是宇宙中將磁能轉化為動能、熱能和輻射能的最主要過程。在磁場拓撲結構發生劇烈變化的區域,磁力綫被迫斷開並重新連接,瞬間釋放齣巨大的能量。本書係統地剖析瞭磁重聯的理論基礎、觀測證據及其在不同天體環境中的具體錶現形式。 本書的核心內容涵蓋瞭以下幾個關鍵方麵: 第一部分:磁重聯的基礎理論與數值模擬 本書首先為讀者構建瞭理解磁重聯所需的理論基石。這包括對磁流體力學(MHD)的深入迴顧,特彆是在處理高磁場強度和非抗磁性等離子體時的局限性與修正模型。重點講解瞭電阻性磁流體力學(如Sweet-Parker模型和Petschek模型)在描述宏觀尺度重聯過程中的應用與不足。 隨後,作者詳細介紹瞭無碰撞等離子體中的重聯機製,這是理解太陽日冕和星際介質中快尺度、高效率重聯的關鍵。內容涉及電子和離子的動力學效應,如電子慣性尺度效應、Hall效應在重聯層中的作用,以及離子和電子尺度的分離如何影響能量轉換的效率。 為瞭將理論與實際觀測結果對接,本書投入瞭大量篇幅介紹數值模擬的最新進展。通過先進的MHD、Hall-MHD以及全PIC(粒子在網格中)模擬方法,本書展示瞭如何重現和分析重聯過程中的電流片形成、加速區域的建立以及隨後的等離子體噴流的産生。讀者將瞭解到當前模擬中如何處理湍流、三維效應以及非綫性演化等復雜問題。 第二部分:太陽係內的耀斑與能量釋放 太陽是研究等離子體天體物理學的天然實驗室。本書的第二部分將理論應用於太陽物理現象,特彆是太陽耀斑和日冕物質拋射(CME)。 詳細分析瞭太陽耀斑的觸發機製。這包括對活動區磁場結構的分析、磁力綫扭麯與應變積纍的過程,以及最終導緻磁重聯爆發的臨界條件。通過對不同能級輻射(從射電波到X射綫和伽馬射綫)的分析,本書闡釋瞭耀斑中高能粒子加速的機製,例如弓激波加速和磁場重聯加速的相對重要性。 此外,本書還探討瞭與耀斑緊密相關的日冕物質拋射(CME)的驅動力。它如何與磁層中的磁重聯過程耦閤,以及如何將大量的磁能和等離子體拋射到太陽係空間,對地球空間環境造成影響。 第三部分:星係尺度上的磁重聯與高能現象 本書的視野進一步擴展到星係尺度,探討瞭磁重聯在更廣闊宇宙中的作用。 重點討論瞭活動星係核(AGN)的噴流。這些由超大質量黑洞驅動的相對論性噴流,其能量傳輸和加速機製與磁場緊密相關。書中分析瞭噴流內部的磁場結構,以及在噴流頭部和彎麯區域可能發生的磁重聯事件如何解釋觀測到的伽馬射綫暴發和非熱輻射。 此外,對於銀河係中心的高能輻射以及星係團內的磁場重聯在加熱和加速星係團內等離子體方麵的作用,本書也提供瞭深入的見解。理解這些宇宙尺度上的磁能存儲和釋放,對於構建完整的宇宙演化模型至關重要。 讀者對象與價值 本書是等離子體天體物理學領域研究人員、博士生和高年級本科生的重要參考資料。它不僅提供瞭嚴謹的理論推導和最新的數值結果,更重要的是,它將復雜的理論物理工具與宇宙中最引人注目的能量釋放事件——磁重聯與耀斑——緊密聯係起來。影印版的引入,保證瞭讀者能夠接觸到原汁原味的國際前沿研究視角和深度。通過本書的學習,讀者將能夠更深刻地理解宇宙中能量流動的基本物理規律。