辐射磁流体力学数值实验研究(代前言)

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1、第34卷　第4期天文学进展Vol.34,No.42016年11月PROGRESSINASTRONOMYNov.,2016doi:10.3969/j.issn.1000-8349.2016.04.01辐辐辐射射射磁磁磁流流流体体体力力力学学学数数数值值值实实实验验验研研研究究究(代代代前前前言言言)汪景琇1，袁峰2，陈鹏飞3，李波4(1.中国科学院国家天文台，北京100012；2.中国科学院上海天文台，上海250008；3.南京大学天文与空间科学学院，南京210023；4.山东大学空间科学研究院，

2、威海264209)摘要：辐射磁流体力学(RMHD)是磁流体力学和等离子体物理学一个新的分支，它研究与辐射有显著能量和/或动量交换的磁流体动力学行为。天体辐射磁流体力学描述天体等离子体在宏观尺度上的电磁相互作用、结构、辐射、动力学和爆发现象。“天体辐射磁流体力学”是中国科学院数理学部2015

3、2016年度所支持的一个学科发展战略研究项目，其目的是评估这一生长中的学科分支的发展态势、国内外研究现状、适用的主要科学对象和发展战略，重点设定在三维数值模拟研究，或广义而言，数值实验研究。为了推动RMHD三

4、维数值实验研究，这一专卷收入了天体物理学、太阳和空间物理学、受控等离子体实验等领域关于RMHD研究的部分调研和评述报告。关键词：天体物理；太阳和空间物理；辐射磁流体力学；数值模拟中中中图图图分分分类类类号号号：：：P182文文文献献献标标标识识识码码码：：：A宇宙中超过99%的重子物质由等离子体组成。空间和天体物理中观测到的大量现象都涉及等离子体物理学的原理和规律，如天体发电机、太阳耀斑(和恒星耀发)、粒子加速、恒星风、星系风、星冕和星系冕加热、黑洞的吸积和外流、恒星形成、行星形成、脉冲星辐射、

5、伽马射线暴、黑洞撕裂恒星事件等。等离子的微观行为是等离子体动力论的研究范畴。它用统计方法描述由带电粒子组成的多粒子体系，描述粒子分布函数随时间的演化过程，适用于对粒子加速及反常输运的研究。等离子体的宏观行为是磁流体力学的研究范畴。磁流体力学(MHD)把等离子体当作导电的连续介质来处理，描述等离子体的宏观性质和运动、等离子体与磁场相互作用的行为，通常被认为适用于处理动力学演化时空尺度远大于微观尺度(如粒子回旋尺度或惯性尺度)的等离子体。等离子体物理和磁流体力学一开始就为太阳和空间物理学(日球物理学

6、)观测研究所推动，为理解天体和空间物理中的动力学和激变现象提供了一个主导性的理论构架。众所周知，天体物理中的许多动力学行为和剧烈的活动现象都受磁场的驱动和控制；天体的电磁辐射几乎都是偏振的，需要完整的斯托克斯光谱(由I、Q、U、V四个量描述)给以描述。近年来，收稿日期：2016-11-25；修回日期：2016-12-16通讯作者：汪景琇，wangjx@nao.cas.cn366天文学进展34卷太阳磁场测量取得了重大的成就，在太阳活动周的长时标内，太阳全日面向量磁场为空基磁像仪系统观测，达到了前所

7、未有的空间分辨率和偏振测量精度；而在恒星和行星层次，在银河系、星系乃至宇宙学层次，磁场观测都取得飞速的发展。磁场的作用体现在几乎所有天体物理对象之中。天体等离子体和磁流体力学的研究更加活跃。由于MHD过程总是伴随以磁流体或等离子体电磁辐射为形式的能量交换和对光子的吸收与散射，磁流体力学与辐射转移过程不可避免地耦合在一起，表现为辐射磁流体力学过程。辐射转移理论和磁流体力学作为天体物理学两大基础理论开始合璧出新。辐射磁流体力学(RMHD)是磁流体力学和等离子体物理学的一个新的分支，它研究与辐射相互作

8、用的磁流体的动力学行为，描述天体等离子体在宏观尺度上的电磁相互作用、结构、辐射、动力学和爆发现象。RMHD适用于辐射足够强、对等离子体具有不可忽视效应的磁流体环境。在这里，一方面磁流体可以通过产生或吸收电磁辐射获取或损失净能量，从而改变自己的动力学行为；另一方面，辐射和磁流体有时还可以通过动量交换，直接改变磁流体的运动状态。RMHD在天体物理学、空间科学和受控等离子体研究中有广泛的应用。近年在天体物理学许多方面，辐射磁流体力学提供了观测解释、物理分析和数值模拟研究的理论基础。天体物理学中很多例证

9、显示辐射磁流体力学的重要性。例如，温度为107K[1]的热磁通量绳被认为是太阳系最剧烈的爆发

10、

11、日冕物质抛射的驱动者；原初行星盘的演[2]化主要为渗透盘的外在磁通量的多寡所控制，同时与外部的紫外和远紫外的辐射相联系；吸积盘中的磁转动不稳定性导致的磁湍流和磁场放大被认为是黑洞吸积盘中的角动量转移机[3]制；而星系际介质在宇宙再电离后对第一代超新星爆发的响应，被认为是宇宙种籽磁场增[4]强和产生各向异性的机理。由于本质上的非线性和物理上多尺度耦合的特征，RMHD研究主要依赖数值模拟，三维数值实验成为