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4886威尼斯城官网科研人员在近日激波动理学关键取得新进展

文章来源: | 发布时间:2020-09-09 | 【打印】【关闭】

  激波是容量和天文中一种常见而又要紧的物理现象,在能量耗散和高能粒子加速关键发挥要紧感化。太阳风暴(公分E)驱动的激波可以产生持久的太阳高能粒子事件和射电暴,具有要紧的容量天气效应。4886威尼斯城官网刘颍研究员TEAM在公分E驱动激波的三维形态和运动学、激波粒子动理学、激波特征与高能粒子释放的关系、激波与日冕波动的关联等关键取得了一系列原创性成果。近期,科研TEAM进一步研究了近日太阳风条件下激波的动理学特征。

  当上对公分E驱动激波的研究主要聚集在1 AU(日地平均跨距)附近,主要原因是大部分容量探测卫星都部署在1 AU附近或近地轨道上, 诸如:Wind、STEREO、Cluster、双星和MMS等,这使得吾们对近日原初太阳风条件下新生公分E驱动激波的特泄闼解甚少。激波主要的太阳高能粒子加速发生在离太阳比较近的跨距,而科研TEAM的归纳表明,快激波事件在近日太阳风中的马赫数可以达到10~15,这些新生的近日激波和一贯在1AU附近观测到的低马赫数激波存在很大异议。最近2年里,万国上相继发射了太阳抵近观测卫星“帕克太阳探针” (Parker Solar Probe,简称PSP)和太阳环绕观测卫星(Solar Orbiter),这为研究近日激波供给了上所未有的机会。

  杨忠炜副研究员基于Parker Solar Probe (PSP)卫星上三轨获得的近日点太阳风观测数据,利用全粒子模拟(PIC)研究了公分E驱动激波的动理学特征。研究发现:(1)在激波上沿,反射离子与那个地方太阳风背下电子之间存在相对漂移(图一),离子束流与具有多普勒频移的电子伯恩斯坦模耦合触发电子回旋漂移不稳定性(ECDI),激发出具有多支谐波的准静电模(图二);(2)这些静电波能加速一部分太阳风电子并形成弱相对论级其余环状速度分布。这些环状分布的电子与背下热电子继续竞相感化,在多普勒频移的高混杂频率附近激发出双向静电波;(3)被静电波多次加速的电子能够激发指向上游的高频电磁波(X模),其物理机制类似于马里兰大学吴京生教授提出的电子回旋脉泽辐射机制(Cyclotron Maser Instability,这个机制成功解释过著名的地球极区弱相对论级电子激发千米波辐射等物理现象);(4)通过一系列激波参量研究,他们发现当马赫数降低到5甚至更低时,ECDI依然普遍存在;当马赫数大于10时,ECDI还往往夹杂着Buneman不稳定性,使得朗缪尔振荡频率(或高混杂频率)附近的静电波大幅振强,易于 有效加速电子并激发高频电磁波;(5)他们还将二维模拟扩展到三维,研究表明在三维模拟中存在与二维模拟相似的波动特性。ECDI沿激波面激发的静电波可以强于沿激波法向激发的静电波。

  在今下的5至6年中,太阳活动将逐渐进入极大期。吾们可以预见将有大量的太阳爆发和公分E驱动的快激波事件。PSP也将更好抵近太阳,预计能观测到从27.8~10个太阳半径处的太阳风和激波特性。PSP上的FIELDS仪器和SWEAP仪器将为吾们带来就地探测的太阳风电磁场和等离子体数据。此道,FIELDS的频率观测范围能覆盖高频射电暴(电磁波)和低频的等离子体波动。这为观测和数值模拟的直接对比供给了难得的机遇。

  论文发表在The Astrophysical Journal Letters上。该项研究揭示了在10个太阳半径处的电子加速机制、微观不稳定性以及静电波和电磁波的激发机制;首次提出了有别于三波竞相感化等非线性过程激发II型射电暴的可能机制,即激波面内自激发的静电波将部分太阳风电子加速到弱相对论级别下进一步激发高频电磁波的相对论线性激发机制。为激波电子加速机制和射电激发的研究开拓了新的思路,并为PSP和Solar Orbiter对激波微观结构、高频射电信号以及等离子体波动的观测供给了预言。

  文章链接:

  Zhongwei Yang, Ying D. Liu, Shuichi Matsukiyo, Quanming Lu, Fan Guo, Mingzhe Liu, Huasheng Xie, Xinliang Gao and Jun Guo, PIC simulations of microinstabilities and waves at near-Sun solar wind perpendicular shocks: Predictions for Parker Solar Probe and Solar Orbiter, 2020, ApJL, 900, L24 (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/abaf59).

  图一: 近日太阳风条件下激波粒子的动理学行为(左)和竞相耦合特性(右)。在不同的区域:A区(foot上沿)和B区(深度foot),波动的特性和粒子耦合环境各不同样。

  图二:近日太阳风条件下激波内部自激发的静电波和电磁波模特性。子图(a-c)和(d-f)分别给出了激波A区和B区波动色散关系的三维可视化结果。各个子图顶部黑色箭头所指的方向是激波法向。

 

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