一种获取太阳风中电磁离子回旋波本征频率的方法

技术领域

本发明属于太阳物理和空间物理技术领域，涉及太阳风中电子离子，更具体的，涉及的是一种获取太阳风中电磁离子回旋波本征频率的方法。

背景技术

太阳风充斥着整个行星际空间，是由太阳大气产生的高温高速等离子体流，其主要成分是质子和电子。太阳风在地球附近的流速通常为数百公里每秒，有时甚至可高达千公里每秒，如此高速的太阳风对地球空间环境和人类太空活动有着重要的影响。太阳风携带的物质和能量到达地球后，可引起地球磁层、电离层、中高层大气等地球空间环境强烈扰动，给人类太空活动带来巨大影响。目前，已经有多颗人造卫星因此造成失踪、毁灭性破坏，或部分功能丧失，进而导致通讯中断、导航失灵等系列灾害事件的发生。

提高人类对太阳风的认知水平，在此基础上开展空间天气预报预警业务，将对保护人类现代技术系统，确保人类顺利开展太空活动具有重要意义。

在太阳风内部存在着各种各样的电磁波，一些电磁波被认为在加热和加速太阳风的过程中起着重要作用。其中有一类电磁波受到了科学界的极大关注，该类电磁波主要沿着背景磁场传播，其电磁场矢量绕着背景磁场做回旋运动，且其回旋运动的频率(即本发明所描述的波本征频率)，和太阳风离子拉莫尔回旋频率较为接近，科学界常称此类波为电磁离子回旋波。正是因为电磁离子回旋波的频率和离子拉莫尔回旋频率接近，容易和离子发生回旋共振相互作用，从而将波的能量转化为离子的能量，进而加热和加速离子，太阳风也会因此变得更热和更快。

目前，人们已经通过人造航天器在太阳风中观测到了大量的电磁离子回旋波，并得到了它们的一些物理特性。以地球轨道卫星的观测结果为例，电磁离子回旋波的持续时间可以从几秒至几十分钟不等；一些电磁离子回旋波的扰动振幅可以很大，其振幅可达到当地背景磁场水平；电磁离子回旋波的持续时间及振幅呈现幂律谱分布，谱指数在4左右；观测的电磁离子回旋波有时候符合左手偏振态，有时候符合右旋波偏振态；观测的波频率大多分布在0.1至0.7Hz。

由于太阳风的高速流动，太阳风中的波会随着太阳风一起高速运动，这使得航天器在探测波的频率时伴有多普勒效应，因此，上述方式观测的波频率仅仅是航天器探测到的带有多普勒效应的波频率，而不是波本身具有的本征频率。人们曾假设波的相速度等于不随频率变化的阿尔文速度，在此假设的基础上通过简单的数学计算消除多普勒效应而获取电磁离子回旋波的本征频率。然而，该假设对于频率远低于离子回旋频率的阿尔文波可以很好地成立，而对于频率接近离子回旋频率的电磁离子回旋波而言将变得不准确。

因此，基于目前对于太阳风中电磁离子回旋波本征频率的获取存在着诸多不足，导致直接影响到对太阳风的进一步研究，亟需一种不依赖于上述假设的新型方法，用以获取太阳风中电磁离子回旋波的本征频率。

发明内容

本发明的目的正是为了解决目前在研究太阳风的过程中，对于太阳风中电磁离子回旋波本征频率缺乏有效的获取方式，而提供了一种全新的用于获取太阳风中电磁离子回旋波本征频率的可行方法。这种方法，与现阶段的针对太阳风中电磁离子回旋波本征频率的获取方式不同，该方法不需要将波的相速度等于阿尔文速度作为前提假设条件，因此，可以有效提高结果的准确性，可以为太阳风的研究提供更有力的数据支持。

为了达到上述的目的，本发明具体采用了如下技术方案：

一种获取太阳风中电磁离子回旋波本征频率的方法，包括以下步骤：

步骤1，收集太阳风的多个参数数据；

步骤2，基于收集到的参数数据，对频率漂移方程和等离子体色散关系方程进行数值求解，得到电磁离子回旋波的本征频率。

进一步的，步骤1中，多个参数数据包括：太阳风密度n、速度大小v、背景磁场强度b、波传播方向与速度的夹角θ

进一步的，步骤2中：

频率漂移方程为：f

等离子体色散关系方程为：

其中：

f

k表示波数(未知)；

N

字母A、B、C分别是比较长的数学表达式。

进一步的，步骤2中，具体的：

对频率漂移方程进行处理，得到折射率平方的表达式，记作

进一步的，具体的，数值求解过程包括：

对方程

引入f

若dN>0，则令f

依次循环执行上一步骤数次，至归一化波频率达到所需精度，所产生的d值即视为归一化的波本征频率；

将f值乘以质子回旋频率f

本发明的有益效果是：

整体的操作过程比较简洁，最关键的是无需对波的相速度进行人为的约束，从而使得数据结果更加准确，使结果具有相当的可靠性，为太阳风的研究提供了有力的数据保障。

附图说明

图1是本发明的方法的总体流程图。

图2是本发明的实施例中的数值求解的流程图。

图3是实施例1中dN随归一化频率的变化情况。

图4是实施例2中dN随归一化频率的变化情况。

具体实施方式

现在将进一步细化基于附图所示的代表性实施方案。应当理解，以下描述并非旨在将实施方案限制于一个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可被包括在由所附权利要求限定的所述实施方案的实质和范围内的替代形式、修改形式和等同形式。

实施例1：

一种获取太阳风中电磁离子回旋波本征频率的方法，如图1和图2所示，包括以下步骤：

步骤1，收集太阳风的多个参数数据；多个参数数据包括：太阳风密度n、速度大小v、背景磁场强度b、波传播方向与速度的夹角θ

步骤2，基于收集到的参数数据，对频率漂移方程和等离子体色散关系方程进行数值求解，得到电磁离子回旋波的本征频率；

频率漂移方程为：d

等离子体色散关系方程为：

其中：f

对频率漂移方程进行处理，得到折射率平方的表达式，记作

数值求解过程为：

对方程

引入f

若dN>0，则令f

依次循环执行上一步骤数次，至归一化波频率达到所需精度(如10

将f值乘以质子回旋频率f

以实际案例数据为例，进行具体的分析。

从数据网站下载(https://cdaweb.gsfc.nasa.gov/pub/data/)下载相关数据。这些数据包括：太阳风密度n、速度大小v、背景磁场强度b、波传播方向与速度的夹角θ

对频率漂移方程f

设

由于

该方法描述如下：

(1)引入f

(2)依据dN的符号并按照如下规则对f

(3)基于新的f

(4)执行步骤(3)16次，得到f＝0.5898，将该值作为

基于传统方法，即假设波的相速度等于阿尔文速度并以此简化方程的方法，所求得的归一化波本征频率为0.8718，该值较本发明中得到的本征频率0.5898偏大了48％。

实施例2：

现以另一组数据为例：为n＝5cm

对频率漂移方程f

设

由于

该方法描述如下：

(1)引入f

(2)依据dN的符号并按照如下规则对f

(3)基于新的f

(4)执行步骤(3)16次，得到f＝2.7959，将该值作为

基于传统方法，即假设波的相速度等于阿尔文速度并以此简化方程的方法，所求得的归一化波本征频率为1.6694，该值较本发明中得到的本征频率2.7959偏小了40％。

本发明的方法不对波的相速度进行人为假设，而是基于波的色散关系获取，其结果更可靠。

为了便于进行解释，上述描述中使用特定命名以提供对所述实施方案的彻底理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，实施上述实施方案不需要这些具体细节。因此，出于说明和描述的目的呈现了对本文所述的具体实施方案的上述描述。其目的并非在于穷举或将实施方案限制到所公开的具体精确形式。对于本领域技术人员而言显而易见的是，在上述教导内容的基础，还能够进行一定的修改、组合和以及变型。