空间环境第四章

第四章空间等离子体

在地球空间环境中，能量低于100keV（千电子伏）的带电粒子构成空间等离子体。因其相对于宇宙线和地球辐射带的粒子（通称为高能粒子）能量要低，故有时又称为低能粒子。它不仅受空间磁场（参见第3章）控制，还受空间电场（参见第3章）支配。按其能量或温度的不同，又可分为高温等离子体（≥10eV）和冷等离子体（<10eV）两类。

空间等离子体是航天环境的重要组成部分，它几乎充满着整个日地空间，其主要分区如图4.1所示。

图4.1 近地空间等离子体主要分区。

空间等离子体环境是等离子体研究的最理想的天然实验室。空间等离子体环境对人类活动有着重要的影响。它对运行其中的航天器系统的主要影响有：1) 高温等离子体引起航天器的高充电／放电，可引起航天器系统工作异常；2) 高密度冷等离子体（电离层等离子体）引起高电压太阳阵电流泄漏及弧光放电造成电源功率损耗，影响电源效率；3) 引起大的高电压系统的重要的离子曳力而影响轨道正常运行；4) 引起传播效应，影响通信及测控等系统的正常工作。为了人类活动需要和确保航天器系统的安全、有效，必须对空间等离子体环境及其与航天器的相互作用进行研究，给出预报。空间等离子体环境已是构成航天器充电设

计指南或标准的必不可少的重要内容，它是人类航天活动所需要的重要环境。

在研究方法上，有宏观的磁流体力学方法和微观动力论方法两类，具体研究方法的选用取决放研究对象的时间与空间尺度。

由于空间等离子体涉及能量、密度、分布的不同，所处不同区域其它空间环境因素（如电场、磁场、中性粒子、性状等）亦不一样，它涉及很多复杂的运动学及动力学过程，我们只从掌握背景情况的角度出发，给出简况介绍并辅以必要的图表示例。

§4.1 基本的等离子体特征参数和几个重要现象

§4.1.1 德拜长度与准中性

等离子体中一个带电粒子在周围产生的电位，由放有其它带电粒子影响，不是点电荷的库仑中位，而是德拜电位： 2/12/⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⋅=-e n T r e CONST V e e D r D

κλλ

λD 就是德拜长度（Debye length ），是德拜电位被屏蔽的距离，也称德拜半径。要求德拜球内有足够多的粒子，即要等离子体参数13

>>=D N g λ（N 为等离子体密度），此时等离子体近似无碰撞等离子体。

准中性（quasi-neutrality ），是在远大于德拜长度的区域内，等离子体体系保持近似中性的特性。 §4.1.2 等离子体频率（plasma frequency ）

它是描述等离子体固有振荡的频率，表征等离子体集体效应发生的时间尺度。

电子等离子体频率（electron plasma frequency ） 在视等离子体中离子相对电子为固定不动仅提供正电荷背景的条件下，局地等离子体非电中性致振荡频率，

2/12)/(e e pe m e n =ω

式中e 为电子电荷，m e 为电子质量，n e 为电子数密度。

离子等离子体频率（ion plasma frequency ） 视电子为均匀背景下产生的等离子体,离子振荡频率，

2/12)/(i i pi m Nq =ω

式中q i 为离子电荷，m i 为离子质量，N 为离子数密度。

§4.1.3 能量和温度

能量是描述粒子运动状态的量。单位时间内通过单位面积的能量叫能通量（energy

flux），它是全向能通量。温度是根据粒子无规则运动所确定的，在空间环境中指动力温度，忽略彼此间碰撞，从而使不同成分粒子可有不同温度。粒子按能量的分布叫能谱。

§4.1.4 数通量和密度

某种粒子在单位时间内通过单位面积的粒子数叫该种粒子的数通量；单位体积内某种粒子的个数叫该种粒子的数密度。

§4.1.5 分布函数（distribution function）

在相空间表征体积元中粒子出现概率的函数叫该种粒子的分布函数。它将离散的分立体系连续函数化，能完整地给出体系运动状态的描述。

§4.1.6 等离子体不稳定性（plasma instability）

处于热力学或力学平衡态的等离子体，若因某种扰动使粒子或体系偏离平衡态，微扰随时间增长，使体系越来越远离平衡态的特性叫等离于体不稳定性。前者又叫微观不稳定性，后者又叫宏观不稳定性，空间等离子体中有很多种不稳定性，如电流不稳定性，腊肠不稳定性，交换不稳定性，瑞利一泰勒不稳定性，电场漂移不稳定性，开尔文一赫姆霍茨不稳定性，撕裂模不稳定性，离子回旋不稳定性等几十种。

§4.1.7 等离子体注人（plasma injection）

在空间物理中特指磁亚暴膨胀相开始时，磁尾等离子体片变薄、其内边界向地球移动，此时eV～keV的高温等离子体被推入辐射带捕获区，使地球同步轨道区观测到这些来自等离子体片的高温等离子体的现象。

§4.1.8 等离子体漂移（plasma drift）

带电粒子引导中心在电场、磁场曲率和梯度以及其他力的作用下的运动。

磁亚暴时注入的等离子体中质子向西漂移、电子向东漂移从而构成部分环电流。

§4.2 太阳风等离子体

高温高导电的太阳日冕气体向外膨胀而连续不断的生成的超音速等离子体流称为太阳风。太阳风的主体为来自太阳的径向流，其中冻结着太阳磁场。

充斥行星际空间的太阳风构成了行星际介质的主体，它是地球空间的重要外部环境，也是引起近地环境扰动的媒介。太阳风的参量是高度可变的，存在着复杂的时空变化结构，它既有瞬变结构（如行星际激波、磁云、高密度结构等），亦有大尺度结构（如太阳冕洞发出的高速等离子体流、日球电流片附近的低速等离子体流等）。这些结构与太阳磁场的性状以及源自太阳的波动及扰动等紧密相关，也就是说它们受太阳本体控制，因而太阳风等离子体参量也有着太阳活动周期性变化，有着随太阳的共转变化及瞬态变化等。同时太阳风中这些