山东大学陈耀教授：愿作微光引众奔

作者简介

陈耀，山东大学教授。主要研究方向为日冕动力学、太阳爆发及其空间天气效应、粒子加速与辐射机制。发展了由阿尔芬波耗散供能的日冕与太阳风模型，指出低速流少数离子存在“滞流现象”、冕流结构存在内禀不稳定，给出了冕团连发事件的新机制；发现了最大尺度日冕波动--冕流波，发展了相应冕震学方法。指出磁绳结构不稳定性与磁重联对CME加速可能同等重要，发现了一类不伴随耀斑的快速CME事件；找到CME初发机制--磁爆裂重联的关键证据；发现了耀斑EUV后相的电离层效应与影响机理。提出大尺度日冕闭场对激波粒子加速和射电II型暴产生具有重要作用，提出了由非束分布能量电子经回旋脉泽不稳定性激发等离子体辐射的新机制，提出了有效激发谐频脉泽辐射(X2模)的新机理等。

作为首席科学家带领团队突破毫米波探测技术难题，研制成功35-40GHz太阳射电频谱系统，弥补了“35-40GHz的空间天气预报原始数据空白”；承接国家重大科技基础设施子午工程II期荣成站建设任务并通过验收，相关仪器指标获评“具有unprecedented resolution”；主持基金委国家重大仪器研制项目及重大项目课题、重点项目等。

探星拾慧
十载躬身破晓昏，等离子境觅微痕。

墨凝似揽星河象，图绘稍存日耀魂。
公式细推求正理，射电勤汇探真根。
成书不敢称完璧，愿作微光引众奔。

空间（太空或深空）中存在着丰富多彩的射电爆发或辐射现象。太阳、木星、土星、地球、天王星、海王星，乃至遥远的日球层顶、类太阳恒星、脉冲星等都是强大的辐射源。辐射亮温常远超相应的等离子体热力学温度和高能电子平均能量所对应的等效温度，故只能用相干辐射（coherent radiation）来解释。

就本书（《空间等离子体相干辐射》 陈耀, 宁昊编著. 北京 : 科学出版社, 2025.9）所探讨的内容而言，这些相干辐射均是能量电子所驱动的等离子体动理论不稳定性线性或非线性演化的产物，是等离子体集体行为的一种表现，也是“高阶”等离子体物理学的重要内容与课题。顾名思义，所得辐射相干性强，换而言之，辐射电磁波频带窄且很有方向性，对应于很高的黑体辐射等效温度（即亮温）。为了让读者更深入地理解这些辐射现象，使相应的知识系统更加完整和体系化，本书收集整理相关内容，主要是太阳系空间中各类射电辐射的观测特征、物理概念，理顺有关理论和研究基础，并介绍相应前沿进展。

丰富多彩的太阳系

相干辐射现象

简单而言，等离子体辐射机制是间接的、非线性的、多步的过程，通常辐射效率较低；而回旋脉泽辐射则是直接的线性放大过程，通常效率较高。两类机制源自不同的动理论不稳定性，由具有不同速度分布函数特征的高能电子所驱动。这个过程由为数众多的自由参数所调整。其中，辐射源区参数，特别是所谓特征频率比（

• pe/
  ce≫1 时，通常发生等离子体辐射过程，先激发朗缪尔波、高杂波或Z 模等非辐射模式，再经由波波并合过程产生辐射。这两组模式分别被称为“母波”和“女儿波”。由于X 模截止频率更高，频率匹配条件更难满足，故等离子体基频辐射通常为O 模，该模式与其母波频率相近；又由于该特征比参数条件下，辐射截止频率对应的回旋谐次高，使得相应脉泽不稳定性增长率过低，故无法通过脉泽不稳定性直接激发辐射。

• pe/
  ce≪1 时，通常发生脉泽辐射过程。根据前面模拟，系统主要会激发Z 模、哨声模、X 模等；即便这些模式可通过并合产生一定频率的等离子体辐射（频率在等离子体振荡频率附近的辐射），也会在回旋基波和谐波层被强烈吸收而难以外传。通常情况下，脉泽辐射倾向于激发偏振取向与电子回旋方向同向的X 模辐射。

• pe/
  ce接近1 时，两种机制可同时发生。恰恰这一情况可发生于耀斑爆发过程的核心区域，对应频率在几百兆赫兹到几吉赫兹，属于分米波区域，而这一区域又属于手机等工作频段，受到很大干扰破坏。将来还要继续针对这一频域，研制大规模综合孔径–日像仪系统。

继续以太阳大气不同区域为例：在黑子附近，磁场较强，有几百高斯到上千高斯，对应

不论是太阳、行星际射电辐射，还是行星或远日球层顶射电辐射，均源于多个尺度物理过程共同作用的结果。以太阳射电爆发为例，首先磁能由光球下方向上输运，并存于日冕，在一定条件下对应磁结构会变得不稳定而爆发，释放其中的磁能，通过磁重联和激波过程等加速能量电子，进而激发动理论不稳定性，产生等离子体辐射或脉泽辐射。可见，完整的辐射过程研究需要覆盖多个物理尺度：从太阳爆发的天体尺度直至电子加速和辐射模式激发的微观动理学尺度，跨越了从太阳半径（约108 m）到电子回旋半径（小于1 m）近10 个数量级。

目前仍不可能完整甚至部分模拟这一多尺度过程。常用磁流体力学（magnetohydrodynamics，MHD）数值方法只能模拟宏观过程，而无力于重联和激波中的粒子加速研究；MHD 与粒子尺度的混合模拟可用于研究激波和重联中的粒子加速。粒子模拟是研究相干辐射中的动理论不稳定性及复杂的湍流发育、波波、波粒非线性作用等的重要手段。该方法通过“自洽”求解百亿计的“宏”粒子牛顿力学方程、体现电磁场演化和诸多电荷电流耦合的麦克斯韦方程组来描述等离子体的集体行为，但计算量过于庞大，目前也只局限于模拟几千德拜半径尺度的微观过程。因此，当前对相干辐射的模拟能力有限，远未达到多尺度研究的能力。

期待越来越强大的超算能力，以及带来颠覆性变革的人工智能等新技术手段可带来跨越发展，弥合理论与观测研究之间的鸿沟，让我等得以践行相干辐射多尺度研究和基于射电数据认知太空奥秘的专业使命。

随着月球、火星与太阳等系列深空探测计划的成功实施，我国在空间探测和研究领域的发展突飞猛进；国家重大科技基础设施——空间环境地基综合监测网（简称子午工程二期）项目运行成效显著，已经为我国和平利用太空等重大需求提供支撑。在子午工程二期中，就有专门观测太阳射电爆发的两套大型射电日像仪（radio heliograph）装备，此外，还有论证中的远日球层与巨行星系探测等，均应携带射电探测装备，也必将产生大量高质量数据。如何理解这些数据、如何做出科学发现，又如何将之服务于人才培养和国家需求，还取决于我们对背后辐射机制的理解是否“到位”。

山东大学槎山太阳射电观测站记录到的分米波IV型暴事件（左）与周期性条纹及其上“珠状条链”频谱结构（右）

当前对回旋同步、轫致等非相干辐射机制的理解相对清楚；而对于涉及等离子体动理论过程的相干辐射，目前在机制方面尚有较大提升空间，有待完善。所涉及的理论知识常显得晦涩难懂，又散落于文献各处，不易被初学者“窥得全豹”。基于作者十余年在太阳爆发与射电辐射等方面的研究经历，《空间等离子体相干辐射》试图整理相关联的等离子体动理论知识，结合观测现象，展现两大类相干辐射机制（等离子体辐射与电子回旋脉泽辐射）的研究进展与存在的问题，便于初学者或研究生以及相关领域的科研人员参考。

空间等离子体相干辐射

陈耀, 宁昊编著

北京 : 科学出版社, 2025.9

(21 世纪理论物理及其交叉学科前沿丛书)

在内容安排方面，本书第1 章相对独立，主要集中展现丰富多彩的太阳系空间射电辐射现象，特别是那些需要用等离子体相干辐射机制来解释的现象；尽管看起来丰富多彩、纷繁芜杂，但背后机制却可统一！随后7 章主要介绍为理解这些现象所需掌握的理论基础以及作者团队数值模拟研究新进展。例如，为理解相干辐射，须认识在等离子体中传播的波动模式，特别是XOZW 四种磁离子理论模式，以及激发这些模式的高能电子的速度分布函数特征，还要掌握相应动理论不稳定性过程以及辐射的传播理论等。为了使读者易于掌握相关知识梗概，第1章先集中展示各类太阳系射电辐射现象，第2 章给出冷等离子体波模的磁离子理论及模式的波场性质等，第3 ∼ 5 章由浅入深逐步介绍等离子体动理论色散关系推导过程与相应的波动模式，第6 章介绍有关的一些等离子体动理论不稳定性过程，第7、8 章则介绍作者团队所开展的基于两大类等离子体相干辐射机制的数值模拟研究。

本书内容涉及不少公式推导。作者将尽力示出关键步骤，且在附录A 中给出了所需的“数理基础”。附录B罗列了作者在十余年间发布于“科学网”的部分研究进展报告题目。这些报告很少使用公式，比较通俗易懂，可使读者从另一个侧面认识本领域的一些前沿问题。

从起意到完成初稿，历时近5 年。其间包含了多个课题的提出和研究、文献素材收集扩充、公式推导、绘图编译、查漏补缺和纠错勘误等，涉及许多前沿科学问题，以及烦琐的技术层面的操作，靠一己之力绝难完成，故特别邀请宁昊博士加盟。除此之外，作者团队的十余位研究生、博士后以及部分年轻教师均不同程度上参与了本书的编写与相关课题研究，在此一并致谢！

本文摘编自《空间等离子体相干辐射》（陈耀, 宁昊编著. 北京 : 科学出版社, 2025.9）一书“前言”“后记”，有删减修改，标题为编者所加。

(21 世纪理论物理及其交叉学科前沿丛书)

责任编辑：周 涵 孔晓慧

太空射电辐射是典型的多尺度物理现象，相关研究涉及大尺度天体能量释放、激波重联等粒子加速，以及不同类型的等离子体动理论不稳定等，也包括共振或非共振的、线性或非线性的波粒与波波作用等。本书从集中展现太阳系主要射电辐射现象出发，结合近年来在数据分析和数值模拟等方面的最新进展，全面介绍有关的等离子体线性波模和动理论基础，以及有关的动理论不稳定性和相干辐射过程，为理解太空中的相干辐射现象提供理论基础。

本书可供天文和空间科学领域高年级本科生、研究生与科研人员参考使用。

（本文编辑： 刘四旦 ）

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