Physics of Space Plasmas

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出版者:Lightning Source Inc
作者:Park, George
出品人:
页数:616
译者:
出版时间:2003-12
价格:$ 81.36
装帧:Pap
isbn号码:9780813341293
丛书系列:
图书标签:
  • 等离子体
  • 天体物理
  • Space Physics
  • Plasma Physics
  • Astrophysics
  • Geophysics
  • Magnetohydrodynamics
  • Kinetic Theory
  • Space Weather
  • Solar Physics
  • Nonlinear Physics
  • Plasma Waves
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具体描述

In its inaugural edition, "Physics of Space Plasmas" was the most widely used textbook for courses in space plasma physics, and included up-to-date observations from space available at the time. Throughout universities in the United States and abroad-it has proven itself indispensable. In the more than ten years since, an amazing number of new space plasma observations have been made. These more recent observations have revealed new and exciting information about space plasma. Now, incorporating new information from several NASA and ESA space missions, the completely revised second edition is expanded to include kinetic physics so that kinetic features in the plasma data can be explained more clearly. In addition, Parks now includes a clear and simple discussion of how electromagnetic fields behave in rotating frames. This thoroughly revised second edition retains the thoughtful examples and problems of the first edition and expands to include new examples, problem sets, schematic diagrams, and images that complement the new material.

《电磁流体力学导论:从基础到前沿应用》 图书简介 本书是一部全面而深入探讨电磁流体力学(Magnetohydrodynamics, MHD)基础理论、核心方程、数值模拟方法及其在现代科学与工程领域广泛应用的权威性专著。其目标读者涵盖高年级本科生、研究生、科研人员以及需要深入理解等离子体动力学、磁流体现象的工程师。 第一部分:基础理论与模型构建 本书首先系统性地回顾了经典流体力学与经典电磁学的基本原理,为引入MHD概念奠定坚实的数学和物理基础。随后,详细推导了电磁流体力学的基本控制方程组——欧姆定律的修正形式、连续性方程、动量方程和能量方程在磁场作用下的耦合形式。 导论与基本假设: 探讨了MHD理论的适用范围,特别是讨论了等离子体的特征尺度(如德拜长度、离子惯性长度、阿尔芬波长)与系统宏观尺度之间的关系,明确了“连续介质近似”的有效性边界。引入了理想MHD模型(零电阻率)和有限电阻MHD模型(考虑欧姆加热与磁场扩散)。 运动学与磁场动力学: 深入分析了磁场与流体共同运动的机制。重点讨论了磁力线冻结(Frozen-in Flux Theorem)的物理含义及其在磁重联、磁场输运中的核心作用。详细阐述了阿尔芬波(Alfvén Waves)的性质、传播特性及其在能量传输中的角色。 本构关系与能理: 细致地分析了应力张量和热流项在磁场影响下的修正。引入了各向异性概念,探讨了压力张量(如双流体模型中的压力张量)的构建,并完整推导了适用于等离子体的能量方程,包括欧姆加热、辐射冷却、焦耳耗散等关键物理过程。 磁化流体的概念: 引入了漂移速度、回旋半径等概念,从微观角度理解宏观MHD的形成过程。讨论了梯度漂移和曲率漂移的物理图像,为后续研究更精细的(如双流体或多流体)模型做好铺垫。 第二部分:关键物理现象与理论分析 本部分侧重于应用MHD方程组来解析和理解自然界及实验室中重要的等离子体物理现象。 磁流体稳定性分析: 这是MHD理论的核心内容之一。本书采用了大量的线性稳定性分析方法,详细研究了磁流体系统在外部扰动下的响应。 瑞利-泰勒不稳定性 (Rayleigh-Taylor Instability, RTI): 在密度不连续界面受重力(或有效重力,如磁压力梯度)影响下,详细分析了该不稳定的触发条件、线性增长率以及非线性演化过程,特别关注其在惯性约束聚变(ICF)靶丸的内爆中的影响。 开尔文-亥姆霍兹不稳定性 (Kelvin-Helmholtz Instability, KHI): 针对不同速度的两个磁化流体界面,推导了KHI的稳定判据和波的传播特性,该分析对于理解行星磁层边界层的湍流激发至关重要。 磁场扭曲不稳定性: 深入探讨了如扭曲不稳(Tearing Mode)等模式,分析了有限电阻效应如何允许磁拓扑结构发生改变,这直接关系到磁重联的物理机制。 磁重联理论: 专题讨论了磁能向动能和热能转换的非理想过程。详细比较了Sweet-Parker模型、Petschek模型以及现代的、更有效的磁重联模型(如基于反分立电流层的模型),强调了电子尺度物理在重联过程中的关键作用。 磁流体波: 全面分类和分析了在不同背景磁场下MHD波的色散关系,包括快磁声波、慢磁声波和阿尔芬波,并探讨了这些波在等离子体加热和输运中的角色。 第三部分:数值模拟方法与工程应用 本书强调理论与计算的结合,介绍了求解复杂的MHD方程组的现代计算方法。 有限差分与有限体积法: 详细介绍了基于显式和隐式时间积分的数值方案,特别是如何处理MHD方程组中的非线性项和对流项。重点讨论了HLL、Roe等冲击捕捉格式在处理磁流体激波和接触间断时的优势与挑战。 磁场约束与约束条件: 阐述了在数值模拟中保持散度零条件($ abla cdot mathbf{B}=0$)的重要性。对比分析了散度清除(Divergence Cleaning)技术、投影法以及散度修正算法的优缺点。 前沿应用案例: 天体物理: 模拟太阳耀斑、日冕物质抛射(CME)的驱动机制,以及星际介质中的磁场演化。 空间等离子体物理: 分析地球磁层与太阳风的耦合过程,以及在高纬度极光区的能量沉降。 聚变等离子体: 讨论了托卡马克装置中,磁流体力学不稳定性(如锯齿模、边缘局域模 ELMs)对约束性能的影响及控制策略的研究。 感应磁流体发电(MHD Power Generation): 简要介绍了如何利用高焓工质的导电性实现电能的直接转换,并探讨了MHD效应在该系统中的优化潜力。 本书特色: 本书内容组织逻辑严谨,从基本方程的严格推导到复杂不稳定性的深入分析,再到现代数值方法的介绍,构建了一个完整的MHD知识体系。它不仅是理论学习的参考书,更是进行复杂等离子体系统数值模拟和实验分析的实用指南。全书配有大量清晰的图示和推导细节,旨在帮助读者透彻理解磁场驱动的流体动力学现象的精髓。

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目录信息

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**穿越时空的粒子风暴,揭示星际磁场的隐秘力量** 《Physics of Space Plasmas》带领我踏上了一段关于宇宙能量的史诗旅程,这是一部关于看不见的“风”如何塑造可见宇宙的杰作。书中对太阳风的深入探讨,让我对这股从太阳日冕喷薄而出的带电粒子流有了全新的认知。它不仅仅是简单的辐射,更是一种具有强大能量和动量的物质流,能够跨越天文单位,影响着整个太阳系。我特别着迷于作者如何阐述太阳风与地球磁层之间的复杂互动。那种如同激烈的舞蹈,又如同精妙的博弈,让我惊叹于自然界的精妙设计。太阳风冲击地球磁场,激发起绚丽的极光,这是地球向宇宙展示的独特美丽,也是等离子体与磁场相互作用的直观证据。本书还详细介绍了其他天体产生的等离子体现象,比如木星强大的磁层,它形成的范艾伦辐射带,如同一个巨大的粒子陷阱,不断捕获和加速着带电粒子。作者通过对这些现象的细致分析,揭示了等离子体在天体物理过程中的关键作用。从恒星的诞生与死亡,到星系的形成与演化,等离子体无处不在,它们是宇宙中最普遍的物质形态之一,也是驱动许多宏观天体现象的根本动力。阅读过程中,我仿佛能感受到那些无形的粒子流在宇宙空间中穿梭,它们携带能量,传递信息,共同谱写着宇宙的壮丽篇章。这本书让我明白,宇宙并非一片静止的虚空,而是一个充满活力和动态的等离子体海洋,里面蕴藏着无数等待我们去探索的奥秘。

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**磁场之舞与粒子狂欢,揭示行星系统的奥秘** 《Physics of Space Plasmas》带领我深入探索了行星系统内部及其与外部环境的互动,让我对那些遥远的星球有了更直观的认识。书中关于行星磁层,特别是地球、木星、土星等行星磁层的详细描述,让我着迷不已。我一直以为行星磁场只是一个简单的地质现象,但本书却让我看到了一个充满活力的、动态的等离子体环境。作者以严谨的科学态度,解释了行星磁场如何捕获太阳风中的带电粒子,并将其加速到极高的能量。我特别被书中对木星强大磁层形成的描述所吸引,那种如同宇宙中的“吸尘器”般不断吞噬和加速粒子的能力,让我对行星的能量学有了全新的认识。书中关于磁层中的粒子加速过程,如回旋加速、波-粒相互作用等,让我看到了物理学在极端条件下的奇妙展现。我开始理解,为什么行星上会存在辐射带,以及这些辐射带对探测器和潜在的生命形式会造成怎样的影响。本书还探讨了等离子体在行星大气层中的作用,如极光、电离层等,这些现象让我看到了行星与宇宙环境之间的紧密联系。阅读本书,我仿佛能够感受到那些在行星磁场中跳跃的粒子,它们如同宇宙中的精灵,在无形的磁场之舞中欢腾。它让我认识到,等离子体物理学不仅仅是研究遥远的宇宙,它更与我们所居住的地球以及太阳系内的其他行星息息相关,是理解行星系统形成、演化和生命存在可能性的关键。

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**宇宙的脉搏与星系的呼吸,等离子体的无形之手** 《Physics of Space Plasmas》如同一本宇宙的“诊断手册”,它让我开始理解那些遥远星系背后跳动的“脉搏”,以及它们如何进行着“呼吸”。书中关于星系际介质的描绘,特别是那些隐藏在星系之间的热等离子体,让我意识到宇宙并非只是孤立的恒星和星系,而是一个相互连接、相互影响的巨大网络。这些弥漫的等离子体,虽然密度极低,却承载着巨大的能量,它们在星系形成和演化过程中扮演着至关重要的角色。作者通过严谨的推导和清晰的解释,展现了等离子体如何在星系的引力作用下聚集,又如何被超新星爆发和活动星系核所加热和加速。我尤其被书中关于黑洞吸积盘的描述所吸引。那个吞噬一切的黑洞,其周围环绕的炙热等离子体盘,不仅仅是物质坠落的终点,更是宇宙中最剧烈能量释放的场所之一。书中关于相对论性等离子体流和喷流的探讨,让我看到了宇宙中最极端物理条件的展现。这些喷流能够延伸到星系之外,影响着周围的宇宙环境,甚至对星系的演化产生深远影响。本书不仅仅是关于物理原理的阐述,更是一种对宇宙运行机制的哲学性思考。它让我意识到,我们所看到的宇宙,只是其动态过程的冰山一角,真正的奥秘,往往隐藏在那无形而又强大的等离子体之中。每一次翻阅,都像是一次对宇宙深层结构的窥探,让我对宇宙的理解,从表象走向了本质。

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**深邃宇宙的无垠画卷,静谧星海的脉动心跳** 当我翻开《Physics of Space Plasmas》的扉页,仿佛置身于一个浩瀚无垠的宇宙画廊,展现在我眼前的,是那些肉眼难以捕捉,却又真实存在于星辰大海中的奇妙景象。本书并非只是枯燥的理论堆砌,它以一种近乎诗意的笔触,描绘了等离子体在宇宙空间中的宏伟舞蹈。那些遥远的恒星,它们炽热的光芒背后,是核心区域进行着不可思议的核聚变反应,而这个过程本身就与等离子体性质息息相关。恒星风,那从恒星表面喷涌而出的粒子流,更是等离子体在宇宙中传播的直观体现。它们穿越行星际空间,与行星的磁场相互作用,勾勒出壮丽的磁层结构,如同宇宙中的无形守护者。我惊叹于作者如何将如此复杂的高能物理概念,通过生动的比喻和严谨的逻辑,娓娓道来。例如,在描述太阳风的传播时,作者巧妙地将其比作一股源源不断的能量流,它不仅塑造了太阳系内的环境,甚至影响着我们地球上的磁场和电离层。书中对等离子体在不同天体环境下的表现,如黑洞吸积盘、星云中的电离气体、脉冲星周围的磁场等,都进行了深入浅出的剖析。每一次阅读,都像是一次穿越时空的星际旅行,让我对宇宙的起源、演化以及生命存在的可能性,有了更深刻的敬畏和理解。这本书让我重新审视了那些我们习以为常的宇宙现象,赋予了它们更深沉的科学内涵和哲学思考。我常常在夜深人静时,仰望星空,脑海中浮现出书中描绘的等离子体流动,感受到一股来自遥远宇宙的澎湃力量,那是一种超越时空的连接感,一种对未知世界无穷的探索欲。

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**空间天气预报的科学基石,守护人类的科技脉络** 《Physics of Space Plasmas》为我揭示了隐藏在“空间天气”背后的复杂科学图景,让我深刻理解了为何研究空间等离子体如此重要。书中关于太阳活动,如耀斑、日冕物质抛射(CME)的详尽描述,让我看到了太阳这颗恒星的“脾气”有多么难以捉摸。我一直以为太阳的光芒是稳定不变的,但本书却让我看到了它蕴藏着的巨大能量爆发。作者以严谨的物理模型,解释了这些太阳活动如何产生高能粒子流,并向太空传播。我特别被书中关于空间天气预报的应用价值所吸引。我开始明白,那些关于卫星故障、通信中断、甚至电网瘫痪的报道,都可能与空间等离子体的活动息息相关。本书让我看到了科学家们如何利用等离子体物理学的知识,来监测太阳活动,预测空间天气,并为我们提供预警。我开始意识到,我们所依赖的现代科技,如GPS导航、卫星通信、甚至航空航天事业,都受到空间等离子体环境的深刻影响。阅读本书,我仿佛能够感受到来自太阳的每一次“呼吸”,以及它对地球科技脉络可能带来的潜在威胁。它让我对人类在探索宇宙的过程中所面临的挑战有了更清醒的认识,也更加珍视那些默默守护我们科技文明的科学家们。

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**穿越星际尘埃的低语,宇宙能量的传递者** 《Physics of Space Plasmas》为我打开了一扇通往宇宙深处的窗户,让我得以窥探那些肉眼不可见的能量流动和物质转化。书中关于星际介质的详尽阐述,尤其是我之前未曾深入了解过的那些稀薄但充满活力的等离子体云,让我对宇宙的“空虚”有了新的认识。我一直以为宇宙空间是寂静而空无一物的,但本书却告诉我,这些看似空旷的区域,实际上充满了各种形态的等离子体,它们在恒星的光辉和宇宙射线的作用下,不断地发生着复杂的物理过程。作者以一种引人入胜的方式,解释了这些等离子体如何影响着恒星的形成和演化。例如,那些密度较高的等离子体云,在引力的作用下会坍缩形成新的恒星,而恒星爆发产生的能量又会将周围的等离子体加热和驱散,从而塑造着星系的结构。书中关于星际磁场作用的描述,更是让我惊叹不已。这些看不见的磁场如同无形的骨架,束缚着等离子体的运动,引导着物质的流动,并对恒星的形成过程起着至关重要的作用。阅读本书,我仿佛能听到星际尘埃在宇宙风中低语,感受到能量在等离子体中传递的脉动。它让我认识到,宇宙并非只是由固体天体构成,而是由流动的、动态的等离子体所填充,它们是宇宙中最基础的组成部分,也是驱动宇宙万物运转的无形之手。

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**从微观粒子到宏观结构,等离子体构建宇宙的基石** 《Physics of Space Plasmas》是一本将我从微观粒子世界带入宏观宇宙结构的桥梁。书中关于等离子体基本性质的深入剖析,让我理解了为何这种物质形态如此普遍且重要。我一直以为原子和分子是物质的基本组成单位,但本书却告诉我,在高温高能的宇宙环境中,电子和原子核分离形成的等离子体才是更为常见的状态。作者以清晰的逻辑,解释了等离子体的集体行为,如波的传播、不稳定性、磁场与粒子的耦合等。我特别被书中关于阿耳芬波(Alfvén waves)的描述所吸引,这种在等离子体中传播的电磁波,如同宇宙中的“脉搏”,将能量和动量传递到各个角落。本书还探讨了等离子体如何构成恒星、行星大气、星际介质等天体结构。我开始意识到,那些我们所观测到的宏伟宇宙景象,其背后都离不开等离子体的驱动。例如,恒星的能量来源——核聚变,就是在等离子体环境下进行的;行星的磁层,其核心就是等离子体与磁场的相互作用。阅读本书,我仿佛看到了宇宙万物,从最微小的粒子,到最庞大的星系,都由这种奇妙的物质形态所构建。它让我对宇宙的构成有了更深刻的理解,也对等离子体在宇宙演化中的核心作用有了全新的认识。

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**宇宙的共振与和谐,等离子体的能量之源** 《Physics of Space Plasmas》为我打开了一个充满能量与活力的宇宙图景,让我看到了等离子体如何成为宇宙中最主要的能量载体和传递者。书中关于等离子体中各种波动的详细阐述,如电磁波、声波、阿耳芬波等,让我理解了宇宙并非是静止的,而是充满了各种形式的能量流动。我一直以为能量是局部的、集中的,但本书却让我看到了能量是如何在等离子体介质中以波动的形式传播,并影响着整个宇宙。作者以引人入胜的笔触,描绘了等离子体在不同天体环境中的能量转换过程,例如恒星内部的核聚变如何产生巨大的能量,这些能量又如何以光和粒子流的形式辐射出去。我特别被书中关于磁场重联的描述所吸引,这种过程能够在极短的时间内释放出巨大的能量,是许多宇宙现象的驱动力。例如,太阳耀斑和磁层亚暴,其根本原因都是磁场重联。阅读本书,我仿佛能够听到宇宙深处传来的共振之声,感受到能量在等离子体中和谐地流动。它让我认识到,等离子体不仅仅是一种物质形态,它更是宇宙能量循环和物质转化的核心,是宇宙得以生生不息、充满活力的根本原因。

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**驾驭太阳风的秘密,地球生命的守护神** 《Physics of Space Plasmas》为我揭示了一个至关重要的科学领域,它直接关系到我们赖以生存的地球。书中关于地球磁层与太阳风相互作用的详尽分析,让我深刻理解了地球磁场的重要性和脆弱性。我一直认为磁场只是一个抽象的概念,但通过本书,我认识到它是一个动态的、充满能量的保护罩,它实时抵挡着来自太阳的有害粒子流。作者通过对磁层亚暴、磁重联等复杂过程的描述,让我看到了磁场如何在太阳风的冲击下变形、重组,并释放出巨大的能量。这种能量的释放,在地球两极表现为美丽的极光,但在其他区域,却可能引发通信中断、卫星故障甚至电力系统瘫痪。本书也让我认识到,等离子体物理学不仅仅是纯粹的学术研究,它在现实世界中有着极其重要的应用价值。例如,对太阳活动的监测和预报,对于保护我们的航天器、通信系统以及地面基础设施都至关重要。书中关于空间天气预报的讨论,让我看到了科学家们如何利用等离子体物理学来预测和应对空间中的潜在威胁。我开始意识到,我们所享受的科技文明,在很大程度上依赖于我们对宇宙等离子体环境的理解和掌控。这本书让我对地球生命的脆弱性以及我们所处的宇宙环境的动态性有了更加清醒的认识,也更加珍视我们星球上那看不见的守护者——地球磁层。

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**星辰大海的脉冲,宇宙的生命线** 《Physics of Space Plasmas》是一本令人着迷的书,它让我看到了宇宙中那些最活跃、最动荡的区域,以及那些无处不在的能量流动。书中对脉冲星、类星体等致密天体周围等离子体的描绘,让我感受到了宇宙中最极端的物理条件。我被那些高速旋转的脉冲星所产生的强大磁场和粒子喷流所震撼。这些天体如同宇宙中的灯塔,将能量以辐射的形式传播到遥远的宇宙空间。作者通过严谨的物理模型,解释了等离子体如何在这些极端环境下被加速到接近光速,并形成我们探测到的各种高能辐射。书中关于活动星系核(AGN)的讨论,更是将我带入了宇宙中最神秘的领域。那些隐藏在星系中心的超大质量黑洞,如同宇宙中的巨兽,它们吞噬着周围的物质,并以极其强大的能量喷流的形式将物质抛射出去。这些喷流能够横跨数百万光年的距离,对星系乃至宇宙的演化产生深远影响。本书让我意识到,等离子体不仅仅是恒星和行星大气中的物质,它更是宇宙中最活跃的能量载体和动力学驱动力。每一次阅读,都像是一次对宇宙中最壮丽、最神秘现象的探险,让我对宇宙的奥秘有了更深一层的敬畏和好奇。

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