第二十一期：哨声模式合声波的哈密顿理论和弗拉索夫模拟

讲座题目：哨声模式合声波的哈密顿理论和弗拉索夫模拟

讲座嘉宾：郑江山（北京航空航天大学物理学院）

时间：12月13日下午4点

地点：北航沙河主楼D座10层东

讲座摘要

在磁层空间中，能量电子通过和哨声波的非线性共振可以激发具有频率啁啾现象的合声波。弱不均匀磁场和频率和波数时空变化的行波波包共同参与到波粒相互作用的过程中，使得合声波物理表现出复杂的多尺度行为。本研究通过严格的哈密顿理论构造新的正则变换形式，得到了局域共振参考系下描述波和粒子的相互作用的尺度分离的哈密顿形式。基于这些形式，我们得到了共振粒子分布函数的弗拉索夫方程，并结合共振参考系下慢变波包的演化方程，自洽描述了粒子分布函数在扰动波场下的快速变化以及沿磁力线受背景等离子体参数变化影响下的慢变过程。基于新的理论方程，我们使用高精度、时间自适应的守恒插值微分算符格式发展了欧拉-拉格朗日混合的弗拉索夫模拟方法。新方法能够自适应、高分辨地给出共振粒子相空间在全空间中的演化行为，同时直接给出慢变波包的幅值和相位变化等信息。我们以真实参数下地球偶极场中的哨声波模式合声波问题为例进行了模拟研究。模拟通过了线性理论基准测试，并成功给出了上升调频率啁啾过程，得到了和实际观测相符合的结果。模拟还清晰地给出了合声波在激发源区、传播区的不同特征以及线性和非线性之间的转换过程。结合高精度的模拟数据，我们发现合声波的非线性相位特征以及共振粒子沿磁力线的输运过程是解释合声波激发和传播的关键。

嘉宾介绍

郑江山，北京航空航天大学物理学院博士后，2021 年于中国科学技术大学获得等离子体物理博士学位。主要从事等离子体中波粒相互作用的动理学建模和大规模数值模拟等研究，在Nuclear Fusion, Plasma Source Science and Technology, Plasma physics and controlled fusion 等杂志发表多篇论文。