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空間中心科研人員在近日激波動理學方面取得新進展

文章來源: | 發布時間:2020-09-09 | 【打印】【關閉】

  激波是空間和天文中一種常見而又重要的物理現象,在能量耗散和高能粒子加速方面發揮重要作用。太陽風暴(CME)驅動的激波可以產生持久的太陽高能粒子事件和射電暴,具有重要的空間天氣效應。中國科學院國家空間科學中心劉潁研究員團隊在CME驅動激波的三維形態和運動學、激波粒子動理學、激波特征與高能粒子釋放的關系、激波與日冕波動的關聯等方面取得了一系列原創性成果。近期,科研團隊進一步研究了近日太陽風條件下激波的動理學特征。

  當前對CME驅動激波的研究主要集中在1 AU(日地平均距離)附近,主要原因是大部分空間探測衛星都部署在1 AU附近或近地軌道上,例如:Wind、STEREO、Cluster、雙星和MMS等,這使得我們對近日原初太陽風條件下新生CME驅動激波的特性了解甚少。激波主要的太陽高能粒子加速發生在離太陽比較近的距離,而科研團隊的分析表明,快激波事件在近日太陽風中的馬赫數可以達到10~15,這些新生的近日激波和通常在1AU附近觀測到的低馬赫數激波存在很大差異。最近2年里,國際上相繼發射了太陽抵近觀測衛星“帕克太陽探針” (Parker Solar Probe,簡稱PSP)和太陽環繞觀測衛星(Solar Orbiter),這為研究近日激波提供了前所未有的機會。

  楊忠煒副研究員基于Parker Solar Probe (PSP)衛星前三軌獲得的近日點太陽風觀測數據,利用全粒子模擬(PIC)研究了CME驅動激波的動理學特征。研究發現:(1)在激波前沿,反射離子與當地太陽風背景電子之間存在相對漂移(圖一),離子束流與具有多普勒頻移的電子伯恩斯坦模耦合觸發電子回旋漂移不穩定性(ECDI),激發出具有多支諧波的準靜電模(圖二);(2)這些靜電波能加速一部分太陽風電子并形成弱相對論級別的環狀速度分布。這些環狀分布的電子與背景熱電子繼續相互作用,在多普勒頻移的高混雜頻率附近激發出雙向靜電波;(3)被靜電波多次加速的電子能夠激發指向上游的高頻電磁波(X模),其物理機制類似于馬里蘭大學吳京生教授提出的電子回旋脈澤輻射機制(Cyclotron Maser Instability,這個機制成功解釋過著名的地球極區弱相對論級電子激發千米波輻射等物理現象);(4)通過一系列激波參量研究,他們發現當馬赫數降低到5甚至更低時,ECDI依然普遍存在;當馬赫數大于10時,ECDI還往往夾雜著Buneman不穩定性,使得朗繆爾振蕩頻率(或高混雜頻率)附近的靜電波大幅振強,從而有效加速電子并激發高頻電磁波;(5)他們還將二維模擬擴展到三維,研究表明在三維模擬中存在與二維模擬相似的波動特性。ECDI沿激波面激發的靜電波可以強于沿激波法向激發的靜電波。

  在今后的5至6年中,太陽活動將逐漸進入極大期。我們可以預見將有大量的太陽爆發和CME驅動的快激波事件。PSP也將更加抵近太陽,預計能觀測到從27.8~10個太陽半徑處的太陽風和激波特性。PSP上的FIELDS儀器和SWEAP儀器將為我們帶來就地探測的太陽風電磁場和等離子體數據。其中,FIELDS的頻率觀測范圍能覆蓋高頻射電暴(電磁波)和低頻的等離子體波動。這為觀測和數值模擬的直接對比提供了難得的機遇。

  論文發表在The Astrophysical Journal Letters上。該項研究揭示了在10個太陽半徑處的電子加速機制、微觀不穩定性以及靜電波和電磁波的激發機制;首次提出了有別于三波相互作用等非線性過程激發II型射電暴的可能機制,即激波面內自激發的靜電波將部分太陽風電子加速到弱相對論級別后進一步激發高頻電磁波的相對論線性激發機制。為激波電子加速機制和射電激發的研究開拓了新的思路,并為PSP和Solar Orbiter對激波微觀結構、高頻射電信號以及等離子體波動的觀測提供了預言。

  文章鏈接:

  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).

  圖一: 近日太陽風條件下激波粒子的動理學行為(左)和相互耦合特性(右)。在不同的區域:A區(foot前沿)和B區(深度foot),波動的特性和粒子耦合情況各不相同。

  圖二:近日太陽風條件下激波內部自激發的靜電波和電磁波模特性。子圖(a-c)和(d-f)分別給出了激波A區和B區波動色散關系的三維可視化結果。各個子圖頂部黑色箭頭所指的方向是激波法向。

 

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