天体物理学中的无碰撞等离子体

Gerard+Belmont等

等离子体是物质被电离后产生的正负电量相等的粒子组成的物质，它广泛存在于宇宙中，被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。由于它是带电粒子的集合体，它的行为与电磁场密不可分。当等离子体中包含中性粒子，并且中性粒子与带电粒子的碰撞趋于无穷次时，等离子体会更倾向于中性气体。本书主要讲述了完全电离等离子体及其特定性质。

本书共有9章：1.引言，包括本书的目标、天体物理学中的等离子体、电磁场与电磁波、横向与纵向电磁场、真空中的电磁场、等离子体中的电磁波、平面等离子体波的电磁分量、带电粒子的运动；2.等离子体描述与等离子体模型，包括分布函数与矩、从单个粒子到动理学的描述、数值方法、流体编码、混合编码；3.磁化等离子体，包括理想电磁流体力学（MHD）、建立MHD模型、量纲分析与等离子体特征尺度；4.碰撞单个粒子到支理学的描述无碰撞，包括等离子体物理中碰撞的概念，有平均自由程、德拜长度、克努森数等；损耗的概念，有能量转移与损耗、可反转性、熵等；5.等离子体中的波，包括MHD波、波引起的输送、高频率波、哨声模式、流体理论中的碰撞阻尼、无碰撞阻尼、不稳定性；6.非线性效应、激波与湍流，包括无碰撞激波与间断、湍流、非线性动力学物理； 7.流动与粒子加速过程，包括流加速、文丘里效应、恒星风、磁重联、磁层中的动力加速；8.宇宙射线的加速与迁移，包括磁场：迁移阻碍、宇宙射线的迁移方程、宇宙射线的费米加速等；9.动理学流体二重性（The Kinetic Fluid Duality），包括太阳风与行星风膨胀、小幅弹道波动、大幅弹道波动等。

附录：1.符号，包括1.1向量与张量；1.2导数；1.3符号列表。2.渐近展开与绝热不变量，包括2.1多尺度展开；2.2绝热不变量；2.3引导中心方程的推导扩展。3.福克-普朗克方程，首阶项。

本书由五位作者共同撰写，其中第1作者Gerard Belmont是无碰撞介质及其在流体理论与动力学理论上的描述方面的专家；第2作者Roland Grappin主要致力于流体与等离子体中的湍流、太阳风的动力学以及日冕与过渡区等天文学方面的研究；第3作者Fabrice Mottez专注于无碰撞太空等离子体、地球与木星磁气层、基础等离子体物理与数值模拟。

本书简单易懂，意在成为等离子物理方面的教科书。虽然书中例子大多是空间物理或太阳风领域，但概念是通用的，实验室等离子体，特别是核聚变磁约束方面的研究者，也适合阅读本书。

王小珊，博士生

（中国科学院理化技术研究所）endprint