Cosmic Ray Interactions， Propagation， And Acceleration in Space Plasmas pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer Verlag

作者:Borman, Lev I.

出品人:

页数:847

译者:

出版时间:

价格:2240.24元

装帧:HRD

isbn号码:9781402051005

丛书系列:

图书标签:

• Cosmic Rays
• Space Plasmas
• Plasma Physics
• Astrophysics
• Particle Acceleration
• Interstellar Medium
• Solar Physics
• Magnetohydrodynamics
• High-Energy Astrophysics
• Radiation Belts

宇宙磁流体中的高能粒子：等离子体中的传输、加速与辐射 本书旨在深入探讨高能带电粒子（如宇宙射线）在复杂空间等离子体环境中所经历的物理过程。 关注的焦点在于，这些粒子如何穿越星际介质、星系际空间乃至星系团等由磁场和等离子体主导的环境，以及它们在这些介质中如何被加速到极端能量，并最终如何通过辐射过程揭示等离子体自身的性质。 本书并非仅仅停留在现象的罗列，而是致力于构建一个全面的理论框架，用于理解这些过程背后的微观物理机制。我们将从基础的磁流体力学（MHD）和等离子体动力学出发，逐步过渡到更高阶的输运理论和辐射物理。 第一部分：空间等离子体的基础与背景 本部分为后续的复杂物理过程奠定必要的理论基础。我们将首先回顾空间等离子体的基本属性，强调其显著的各向异性和非热特性。 1. 磁流体力学（MHD）与微观关联： 深入剖析经典MHD理论的适用范围和局限性。重点讲解等离子体中关键的特征尺度，如德拜长度、拉莫尔半径、阿尔芬波长以及碰撞平均自由程。通过对比这些尺度，阐明空间等离子体如何表现出“磁流体”特性，同时在何种情况下必须引入更精细的动力学模型（如玻尔兹曼方程）。 2. 磁场拓扑与重联： 空间等离子体环境的显著特征是其高度复杂的、非均匀的磁场结构。本章将详细分析磁场拓扑对粒子运动的影响，特别是磁力线的拓扑变化和磁重联现象。磁重联被视为空间等离子体中能量耗散和粒子加速的关键机制之一。我们将介绍拓扑绝缘体模型、甜甜圈模型以及电子和离子尺度上的重联模型，探讨重联区域中能量的有效转化率。 3. 粒子在均匀磁场中的运动： 作为基础，本章回顾经典的回旋运动、漂移运动（霍尔漂移、梯度B漂移、曲率漂移）。重点分析这些漂移运动如何导致粒子在宏观尺度上的重新分布和聚集。引入“磁刚性”的概念，解释不同能量粒子如何响应相同的磁场结构。 第二部分：高能粒子的输运与散射 高能粒子在空间中并非沿着简单的螺旋线运动，而是受到各种等离子体波和湍流场的频繁散射，从而实现其扩散和输运。 1. 等离子体中的波与不稳定性： 输运的核心在于波与粒子的相互作用。本章系统地介绍在空间等离子体中存在的关键波模式：阿尔芬波、磁声波、快慢磁流体波，以及非MHD波如电子和离子贝塞尔波（或称快慢激波）。随后，重点分析驱动这些波或导致其增长的不稳定性，例如各向异性等离子体不稳定性、热不稳定性、以及电流驱动不稳定性。 2. 玻尔兹曼方程与输运系数： 将输运问题形式化，引入包含碰撞和波散射项的玻尔兹曼方程。重点推导能量密度梯度和磁场梯度引起的粒子扩散系数。详细讨论如何利用准线性理论 (Quasilinear Theory, QLT) 来计算粒子与等离子体波的平均相互作用，从而确定有效的扩散张量。讨论不同类型的磁场湍流（如K41谱或非惯性标度律）如何影响扩散系数的空间依赖性。 3. 磁层和行星际介质中的扩散： 应用前述理论，分析太阳风和地球磁层边界（如弓激波、磁层顶）的粒子扩散。特别关注鞘层（Shock Front）的物理过程，阐明粒子如何通过散射机制，实现从激波两侧的传递，并最终成为星际或太阳高能粒子。 第三部分：等离子体中的粒子加速机制 粒子被加速到TeV乃至PeV能级，是宇宙学中最引人注目的现象之一。本部分聚焦于空间等离子体中主要的加速过程。 1. 激波加速（首选机制）： 详细阐述费米加速机制，特别是一级费米加速（或称碰撞/漫反射加速），这是解释宇宙射线起源的主导模型。深入分析粒子在平面或弯曲激波前沿的多次穿透与散射过程，推导粒子能谱的斜率（$gamma approx 3$）。讨论非对称性、激波的倾斜角对加速效率的影响，以及如何通过粒子反馈来限制激波的强度（自洽激波模型）。 2. 磁重联加速： 重新审视磁重联区域。讨论慢重联模型中粒子如何沿着重联电流片被有效加速。重点分析甜甜圈模型中粒子在磁场零点附近的反弹运动，以及能量如何在等离子体片段被压缩时高效地转化为粒子的动能。 3. 湍流与随机加速： 分析在高度湍流的介质中，粒子如何通过与不同方向和尺度的湍流结构进行随机碰撞而被加速（二次费米加速的修正）。对比这种随机过程与定向加速（如激波加速）的效率差异和能谱特征。 第四部分：高能粒子的辐射与诊断 被加速的粒子通过与周围环境的电磁场和粒子相互作用，会产生可观测的电磁辐射，这些辐射是诊断粒子能谱和等离子体密度的关键工具。 1. 关键辐射过程： 系统地介绍高能粒子与背景物质相互作用产生的辐射形式： 同步辐射 (Synchrotron Radiation): 分析带电粒子在磁场中做回旋运动产生的辐射，重点是同步辐射谱的形成和频率依赖性，这是诊断磁场强度和电子能谱的关键。 逆康普顿散射 (Inverse Compton Scattering, IC): 描述低能光子（如CMB光子或星光）被高能电子散射到高能波段的过程。讨论IC辐射在确定高能电子截断能和等离子体电子密度中的作用。 轫致辐射 (Bremsstrahlung): 分析粒子与离子和原子发生碰撞产生的连续谱辐射，及其对低能谱段的贡献。 中微子和$pi^0$衰变： 讨论高能质子与背景介质碰撞产生的次级粒子，尤其是中微子和中性介子衰变产生的伽马射线，它们是区分电子和质子宇宙线的重要手段。 2. 辐射的谱学分析与等离子体诊断： 阐述如何通过观测到的辐射光谱（特别是能谱的拐点、截止点和斜率）来反演等离子体内部的物理参数，例如：湍流强度、磁场均匀性、粒子注入能级以及整体的加速效率。讨论如何利用多波段观测（从射电到X射线和伽马射线）来解耦不同的辐射机制，从而精确地重构等离子体中的高能粒子场。 --- 本书面向 理论物理学家、天体物理学家、空间物理学家以及高能物理研究人员，提供理解宇宙中极端能量现象的深入工具箱。其内容兼顾理论推导的严谨性和对最新天文观测的解释能力。

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