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毛信杰:与国家天文台怀柔太阳观测基地的天文学家和同学们一起学习切磋而成的【太阳磁流体力学】

2024-06-17文化

毛信杰,籍贯浙江,毕业于复旦大学物理系,在北京师范大学天文系从事磁流体力学、等离子体物理、流体力学的讲授工作。2009—2016 年为中国科学院国家天文台怀柔太阳观测基地的天文学家和学生讲授太阳磁流体力学。

磁流体力学诞生于20 世纪四五十年代,现正处于发展期,在受控热核聚变、天体物理中有广泛的应用。磁流体力学应用于太阳物理,就是太阳磁流体力学。太阳磁流体力学描述太阳等离子体和太阳磁场之间的复杂的相互作用,因此可作为理解发生在太阳上的动力学过程的有力理论工具,进而探索太阳物理中现存的疑难问题。它已成为太阳物理的核心之一,从而使太阳物理成为天文学最充满生机的学科之一。

2009 年下半年起,我有幸与国家天文台怀柔太阳观测基地的天文学家和同学们一起学习切磋太阳磁流体力学,每周约2 小时,持续了有六七年之久。

回想起来是在2009 年4 月14 日,国家天文台苏江涛、云南天文台刘煜和我一起议论深入学习磁流体力学事,直至深夜。这一动议很快就得到国家天文台张洪起的鼎力支持。是年6 月19 日正式开讲。张洪起退休后,又得到国家天文台的邓元勇、王东光、张枚和王薏的全力支持。之后还有包星明、张宇宗、张洪起、杨尚斌、侯俊峰、杨潇等进一步策划,提供建设性的建议。讲座历时七年之久,直至2016 年底。云南天文台的同学因相距过远,时间拖得过长等诸多不便,不能前来一起切磋学习,引为憾事。

我们以Priest 教授所著的【太阳磁流体力学】(1982 年版和2014 年版) 为纲展开。讲座采用讲解和讨论的互动模式,重要的章节特别予以重复,目的是加深对基础理论的理解。期间的讲稿结合自己以前所用的教材、部分原始文献以及其他参考资料汇编成册,就是今天的这本【太阳磁流体力学】(毛信杰编著. 北京:科学出版社,2024. 5)。

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全书共十一章。第1 章简单介绍本学科发展史,粗略描述太阳;第2 章和第3 章介绍磁流体力学的基本概念;第4 章(波)、第5 章(激波) 和第7 章(不稳定性) 是等离子体中的重要物理现象;其余各章涉及太阳大气加热(第6 章)、黑子(第8 章)、发电机(第9 章)、耀斑(第10 章) 和日珥(第11 章),是太阳中的物理过程,进入专题范围,是磁流体力学理论的应用。

为便于自学,对于一些基本物理概念的阐释不嫌浅显重复,数学推导相对详细,这有助于对基础理论的深入理解,掌握用磁流体力学分析太阳活动的方法。本书可以作为学习和研究磁流体力学的参考。

当代许多太阳物理学家在这些领域孜孜耕耘,论文数量浩如烟海。本书罗列的一些物理模型可能早已过时,不过可以作为读者的习题,从中体会前辈物理学家如何考虑分析物理问题、构造模型,这不失为一种借鉴和练习。

讲稿是备课时写就,汇编成集时仍是手写本。从2013 年底开始陆续打印,几年的累积,篇幅多而繁杂,整理上千页的手稿,视为畏途,但是国家天文台怀柔太阳观测站的年轻饱学之士百忙之中,一如我英勇将士,枪林弹雨之中唯恐落后,力排障碍,一年半之后终成正果。

他们是:杨潇(第1,2,4,8,11 章),刘锁(第2,5,6 章),白先勇(第3,7 章),高裕(第9 章) 和侯俊峰(第10 章)。其中杨潇发挥了杰出的组织和编辑才能,全部打印完成的稿件包括图表,由她整理、编排和修订,毫不夸张地说没有她数年的辛勤耕耘,成书之日还十分遥远。说起百余幅的插图,远在上海的刘玲得知我有难处,提刀相助,慨然承担全部制图重任,并邀请一位制图专家一路护航,任何手绘示图,随时协助完成,制作精良。二位的义举,冰释我心头重负,使全书臻于完美。关心并积极参与讲座的还有陈洁、徐海清、滕飞、郝娟、郭娟、孙英姿、刘继宏、谢文彬、张洋、魏烨艳、闫岩、郭晶晶、Priya 等诸位同仁。不遗余力帮我寻找资料的有:张洪起、杨潇、苏江涛、张宇宗、郝娟、白先勇、包星明等。最后感谢我的家人,他们在生活上、精神上和物质上的支持,作出了不可或缺的贡献,特别是2015 年的困难时刻,共克时艰,相互扶持,走出阴霾。

本书献给国家天文台怀柔太阳观测站。

本文摘编自【太阳磁流体力学】(毛信杰编著. 北京:科学出版社,2024. 5)一书「前言」「后记」,有删减修改,标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-077455-2

责任编辑: 胡庆家 李 萍

本书主要介绍太阳磁流体力学的基本原理,讨论太阳磁场的产生、磁场的不稳定性、磁力线的重联,并介绍太阳大气的磁流体力学波动和Alfvén 波,进而介绍磁流体的激波,也涉及太阳的黑子和爆发过程。

本书可作为太阳物理专业的研究生教材,对天体物理感兴趣的学生和研究人员有参考意义。

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