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等离子体中的“模式转换”与“射电辐射”

已有 1884 次阅读 2023-8-1 14:36 |系统分类:科研笔记


莫听穿林打叶声,何妨吟啸且徐行。 ---《定风波·莫听穿林打叶声苏轼

天接云涛连晓雾,星河欲转千帆舞 ---《渔家傲·天接云涛连晓雾》李清照

 

先分享这两句优美的诗句。第一个是描述声波的,指出通过“打叶声”可以判断雨的大小,当然,不管风雨多大,都可吼出由高频到低频的“吟啸”声迈步前行;第二句,则是形容由天空、星空发出的电磁辐射的情况 --- “水天相接,晨雾蒙蒙。银河转动,船帆竞舞。”


不论是声波还是电磁波,均满足特定的色散关系,规定了频率与波长间的变化规则。如二者色散关系分别为w=k*cs,w=k*c,其中w表示频率,k表示波数(单位长度上波的数目),cs与c则分别为声速与光速。特定的波,均存在特定的、与其它波完全不同的色散关系--- 否则“模具”就混了、波就乱了 --- 依靠色散关系“模”,可严格定出波的时空周期变化间的内在规律。

电磁波模在宇宙空间中普遍存在,也是我们研究宇宙空间的最为重要的“信使”。其中,频率在无线电频段的,为射电辐射。一大类射电辐射发自空间中的等离子体,这里又有相当一部分被认定为 “等离子体辐射” --- 那些频率约为等离子体振荡频率或相应谐频的辐射。

等离子体振荡频率是一基本的特征频率,对应于等离子体中正负电荷分离时产生的静电场作用下的来回往复振荡:电场力总是试图将粒子拉回平衡位置,而粒子到达平衡位置时受力虽降为零但速度总是最大,致其过冲而来回振荡,称为等离子体振荡。由于不涉及磁场变化,也称之为静电振荡。当考虑热效应时,往复运动引起密度扰动,进而导致热压变化,从而以声波形式传播出去,就是所谓静电朗缪尔(Langmuir)波。该波模在等离子体中普遍存在,条件合适时,则常成为等离子体中的主导振荡形式。

存在外部磁场时,若朗缪尔波粒子的振荡方向与磁场倾斜或垂直,则在振荡同时还会做回旋运动,二者叠加所得模式便是高杂波(Upper Hybrid wave)。其实,二者基本一回事,可将高杂波理解为倾斜或准垂直、垂直传播的朗缪尔波。

 

为了研究空间等离子体辐射机制,需考虑两个因素:1) 在带电粒子(主要是能量电子)扰动下,等离子体中,特别是磁场相对弱的“弱磁化”等离子体(是产生等离子体辐射的主要源)中,最为普遍、最易激发的便是朗缪尔波或高杂波;2)在这类等离子体中,作为电磁辐射的两种波模(异常模与寻常模 --- O/X,对应于在真空中传播的左右旋电磁波---L/R),通常难以由能量电子直接激发。

如此,等离子体辐射机制研究的核心问题成为:如何将等离子体静电振荡或相应静电波模转换为相近频率及其谐频的电磁O/X辐射?由于等离子体谐频辐射的产生机制争议较少,故此处只讨论基频辐射的产生机制问题。

对这一问题的答案,有一说法,就是1958年提出的“等离子体辐射”,也曾被称为“等离子体假说—plasma hypothesis”,涉及到三波非线性作用。简单而言,可将三个波视为同一系统中的三个谐振子,线性情况下或幅度不够大时,谐振子各自振荡互不串扰;当某波幅度足够大而进入非线性情况后,会影响某些参量如密度、速度、电场等,进一步影响其它谐振子,从而产生能量交换或波波耦合。注意,必须引入三列波,才可能实现这一过程。只是两列波的话,频率不同、波数不同,无法形成共振效应,便无法有效交换能量;三列波的话,只要满足频率和波数的共振匹配条件,就ok大家团在一起可共振。

行星磁场.png

不过,这只是一种选择。太阳系中六颗行星(及木卫三)具有全球内禀磁层 (见上图示意),有水、地、土、木、天王与海王星;对于这些行星的磁层,除水星外,均观测到了显著的、被归为等离子体辐射的射电现象。然而,根据观测到的一些情况,文献中并没有采纳上述非线性机制解释这部分辐射,而是普遍启用了一种线性机制:线性波模转换导致的等离子体电磁辐射。这时,最少只需一列波就可获得射电辐射,是一线性过程。注意,上述非线性等离子体辐射机制被广泛用于理解多种类型太阳射电暴、日球层边界射电辐射等,此处不再延伸讨论。

 

平行传播时,只存在两类高频电磁波,一左旋、一右旋,其中左旋波中低于和高于wpe的两部分,却对应于不同波模,分别是属于约束类模式的Z模和可逃逸的电磁O模;右旋波对应于X模。在wpe处(对应于下图种红色和黑色曲线连接点),从色散关系的角度来看,二者是不可区分的,故二者可以在该处互换,即在波模间有效交换能量:如已有Z模,便可在此处收获O模---即等离子体基频辐射。

平行传播XOZW色散关系.png 

一般情况下,Z与O模色散关系并不重合。事实上,Z模与上述朗缪尔波和高杂波密切相关,可以说三者一家(位于同一支色散关系之上),只是对应于不同的波数和传播方向及频率大小,Z模对应于小波数、超光速的朗缪尔波或高杂波。所以,若可将朗缪尔波或高杂波的波数降低,便可得到Z模,进而在方向合适时(近平行传播),Z模再转为O模从而得到基频辐射。

如何改变朗缪尔波或高杂波的波数大小呢?根据如下色散关系

1.png

只要这些波传向高密度区(即设波源附近存在密度梯度),波的频率不会变化,而周围等离子体频率会上升,便导致波数下降,从而可将朗缪尔或高杂波转为Z模,之后便可经上述线性模转换过程发出射电辐射了。由于X模最低频率高于wpe一定数值,而O模最低频率恰好等于wpe,故通常情况下该过程所得辐射均为O模。

    小结一下,这一辐射机制始自高能电子直接激发朗缪尔波或高杂波,波向高密度区传播,则导致波数下降,进而转为Z模,类似于电磁波的折射现象,再通过模式转换窗口转为O模,可简单记为:UH->Z->O。该机制需要波源附近存在陡峭密度梯度。

该机制已成为当前解释地球、土星、木星、木卫三、天王星、海王星等行星及其卫星(木卫三)射电辐射中等离子体辐射成分的一个主要机制。各行星所处太阳风环境、内部卫星系统等差异巨大,然而都观测到了相似的等离子体辐射现象,可谓“虽有差异、更显共性”。这正是科学研究的魅力或威力,总是试图或者竟然能够用简单理论一统天下。

 

下面展示这些观测到的部分行星磁层射电辐射现象。

 

根据旅行者号、Cassini、Galileo、Cluster等卫星的观测,行星磁层射电辐射主要有三个主要分量,分别是极光射电辐射、非热连续辐射或窄带辐射、舷首激波辐射。用上述线性模转换机制解释的是第二个分量。

 地球.png

上图给出Cluster卫星在靠近地球等离子体片(高密度区)边界时观测到的非热连续或窄带辐射事件(Gurnett 等1975;Grimald等 2008,2010)。该事件伴有磁层活动,伴随剧烈变化的密度梯度/结构、多谐次高杂静电波,观测到多谐波的射电斑马纹,纹间距为由源区磁场强度决定的电子回旋频率。对相应辐射机制的通常解读便是先有所谓等离子体“双共振”过程激发多谐次高杂波,传向高密度区,化为Z模,再经线性模转换化为O模。关于等离子体双共振过程,可参阅作者以往关于斑马纹方面的博文。

 土星.png

上图给出Cassini卫星探测到的土星磁层窄带辐射,发现主要存在两组主要分量:5 kHz, 20 kHz,且受到自转调制从而准周期出现(Gurnett 等1981;Ye等2009,2010;Menietti等 2009)。为何这两个频率如此被青睐,目前还未得解。根据偏振测量可确定辐射模式为O模,在辐射源附近可观测到高杂振荡频率的剧烈变化,对应于锐利的密度梯度,同样指向上述密度梯度导致的线性模转换等离子体辐射机制。

 

下图展现了Galileo卫星观测到的木星磁层射电辐射(Gurnett等1983;Menietti等2001,2012),射电频谱形态总体上与地球、土星的窄带辐射类似,不过更为复杂,同样可观测到多谐次的电子回旋静电谐波以及剧烈变化的等离子体振荡频率,也主要用相似的线性模转换辐射机制来理解。

 木星.png

下图展现了Galileo卫星探测到的木卫三—Ganemede---磁层射电辐射(Kurth等 1997)。注意,这是太阳系唯一具有全球整体磁场、也是唯一观测到相应射电辐射现象的行星月亮,很有特殊性。相应窄带辐射与地球、土星、木星等磁层发出窄带辐射非常类似,伴随有高杂波、多谐次静电波,波源靠近密度梯度区,因而用相似的机制来理解。

 木卫三.png

太阳系射电现象丰富多彩,但纷繁芜杂现象的背后可以有统一的物理规律。从太阳到日球层顶,从地球到海王星,还是那句话:“虽有差异、更显共性”。不过,相应辐射机制研究,还有不少问题。例如,关于“等离子体辐射”机制,文献中表述口径高度统一、“人云亦云”现象、用简单文字而非定量模型计算“建模”的现象很严重;再如,对于密度梯度所致线性模转换机制,还少有令人满意的辐射过程模拟和效率计算。

对于水星,信使号(Messenger)已经探测到X-射线极光;ESA与JASA联合发射的BepiColombo卫星已三度飞掠水星,前两天已有NC文章报道了可解释X-射线极光的高能电子沉降现象。由此来看,水星磁层射电信号的探测可以说是“呼之欲出”了。BepiColombo携带有恰当的等离子体波与射电信号探测载荷,理应已经观测到由水星磁层射电信号。不过,目前尚未见报;也许,正在某刊审稿。果真如此的话,再过几周,或许便能读到关于人类历史上首次探测到水星磁层射电信号方面的文章了。

找到水星磁层射电信号后,太阳系六大带有整体磁场的行星便都存在磁层射电辐射了 --- 复杂的星体、相似的现象、统一的理论 --- 值得大家期待(和研究)。



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