Numerical Modeling of Space Plasma Flows pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Astronomical Society of the pacific

作者:Pogorelov, Nikolai V. (EDT)/ Zank, Gary P. (EDT)

出品人:

页数:312

译者:

出版时间:

价格:672.00元

装帧:HRD

isbn号码:9781583812273

丛书系列:

图书标签:

空间等离子体
数值模拟
等离子体物理
天体物理
计算物理
磁流体力学
粒子模拟
太阳物理
行星际物理
空间天气

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具体描述

计算流体力学在地球磁层和太阳风相互作用中的应用导言本书深入探讨了在太阳系中扮演核心角色的复杂物理过程——太阳风与地球磁层之间的动态相互作用。我们聚焦于利用先进的计算流体力学（MHD）方法来模拟和理解这一宏观现象的多个关键方面。从太阳风的起源和传播，到其撞击地球磁层边界（磁层顶）的机制，再到磁层内部的能量和物质输运，本书提供了一个全面的理论框架和详尽的数值实现指南。第一部分：基础理论与模型构建本书的开篇部分致力于奠定坚实的理论基础。我们首先回顾了描述等离子体动力学的基本方程组，特别是磁流体力学（MHD）方程。这不仅包括质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，还详细阐述了安培定律和法拉第定律在等离子体环境下的适用性。我们着重讨论了等离子体在强磁场背景下的各向异性特性，并引入了超越标准MHD模型的更高阶修正，如考虑热传导和粒子输运的非理想效应。随后，我们详细介绍了太阳风的来源——日冕物质抛射（CME）和高/低速流的形成机制。利用数值方法来求解日冕内部的磁场结构和等离子体演化，是理解太阳风参数如何被调制的前提。本部分详细描述了边界条件的选择，特别是在太阳边界（如太阳半径附近）的设定，以及如何将这些内部条件传递给行星际空间的模型。第二部分：磁层顶的结构与重联磁层顶，作为太阳风和地球磁层之间的关键界面，是能量交换和动量耦合的主要场所。本书用大量的篇幅专门分析了磁层顶的结构。我们采用三维MHD模拟来捕捉磁层顶的形态，讨论了斜冲击波的形成、磁层顶的湍流结构以及等离子体沉积的机制。核心内容聚焦于磁重联（Magnetic Reconnection）现象。我们深入分析了发生在磁层顶的磁力线断裂与重组过程，这是太阳风能量注入地球磁层的主要途径。本书详细介绍了笛卡尔坐标系和球坐标系下的重联模型，包括电子扩散区和离子扩散区的物理差异。通过对比不同的数值格式（如有限体积法、有限差分法），我们展示了如何精确捕捉重联事件中的电流片和出流（Outflow）现象。对于重联效率的参数化研究，我们也提供了相应的数值方法评估。第三部分：磁层内部动力学与电流系统一旦能量和粒子跨越磁层顶，它们便开始影响磁层内部的复杂结构。本书详细考察了磁层内部的电流系统，特别是环电流（Ring Current）、极盖电流（Polar Cap Current）和罗尔电流（Birkeland Currents）。我们展示了如何通过求解欧拉方程和泊松方程来计算磁层内部的静电势分布，从而驱动大规模的等离子体对流。模拟结果被用来解释极光椭圆区的形成与演化，以及区域（VAS）流在磁尾盘（Magnetotail Plasma Sheet）中的作用。此外，书中还包含对磁尾结构——磁层尾瓣（Magnetotail Lobes）和等离子体片（Plasma Sheet）的深入分析。我们着重讨论了磁尾的亚暴（Substorm）触发机制，特别是关于磁重联在磁尾中的作用，以及磁尾电流片的断裂过程如何导致能量向内侧磁层快速释放。第四部分：耦合效应与反馈机制本书的最后部分将视角扩展到地球磁层与电离层、热层（Ionosphere-Thermosphere System）的耦合。等离子体在磁层内部的输运最终会通过沿着磁力线向下传播的电流，影响低层大气区域。我们阐述了如何构建一个全波段的耦合模型，以便准确地计算出倾泻到电离层的能量通量，以及由此引发的电离层电导率的变化如何反过来影响磁层电流的闭合路径。我们还特别关注了等离子体波对粒子加热和输运的影响。虽然MHD框架是宏观描述，但我们也引入了对波-粒相互作用的半经验模型，用于补充模拟中对高能粒子加速的描述。这包括了对阿尔芬波（Alfvén Waves）和快磁声波（Fast Magnetosonic Waves）在磁层传播特性的数值研究。结论本书的最终目标是为研究人员和高级学生提供一套将复杂的空间物理理论转化为可操作的数值代码的工具集。通过详尽的算法描述和案例分析，读者将能够理解和应用当前最前沿的计算流体力学技术来解决太阳系等离子体物理中的核心问题。本书强调了从第一性原理出发，构建可靠、高分辨率的仿真模型的必要性，以期为空间天气预报和行星际空间探测提供更坚实的理论支撑。