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在地球空间传播的Alfvén波一般是非常非常“慢”的,其频率经常就是几个Hz(相应的波长大约在几百公里)。这么“缓慢变化”的电磁波,简直可以说是大自然的奇迹。在理论上预言这种电磁波的存在,是人类认识和了解自然迈出的重要一步。所以H. Alfvén的Nobel物理奖是当之无愧的。
那么Alfvén波是怎样产生的呢?
中学的物理课上就讲过:自然界中的磁场可以用磁力线来描述。因为带电粒子环绕磁力线的运动,所以等离子体中的磁力线不仅有“张力”,而且有“惯性”(即其“携带”的带电粒子的惯性)。这样,某一段磁力线上垂直于原来磁力线的小扰动,就会如同抖动一根拉直的绳子一端,形成一个沿着磁力线传播的波动。从Faraday定律知道,因为这个波动具有随时间变化的垂直于原来的“未扰动”磁力线的 “磁形变”,所以会激发同时垂直原来磁力线和这个“磁形变”的电矢量。这样就激发起一个传播的电磁振荡——电磁波。类似“拉直的绳子”上传播的横波(剪切波)、或者“弦振动”的传播一样,这个电磁波的速度的平方与“张力”成正比(在SI单位制里等于磁感应强度的平方除以两倍的真空磁导率),与“惯性”(一般是离子的质量密度)成反比。因为这个波具有“剪切波”的形式,所以被称为“剪切Alfvén波”。
这种低频电磁波模式的存在,为我们设计超低频通信的接收天线提供了一种选择:只要这个天线可以将低频信号转换成该频段的Alfvén波,那么就可以将天线的长度缩短到几米或者更短。原则上来说,这样的天线可以通过沿着轴线方向磁化的柱状等离子体来实现。
除我们前面谈到的“剪切Alfvén波”,还有一种波长更短的“动力学Alfvén波”。其波长可以短到离子Larmor半径的数量级。对于一般的离子温度以0.01 eV计的实验室等离子体来说,这一波长大约在10/B厘米。这里B是用Gauss来计量的磁感应强度。也就是说,即使是在1 Gauss这么弱的磁场中,这一波长也不过才
“动力学Alfvén波”的理论,是在上世纪70年代才发展起来的。提出这一理论的两位科学家(当时都在Bell Lab工作),一位是光纤通信理论的奠基人A. 长
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