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实验室科研人员追踪太阳风暴中阿尔芬波的径向演化
并给出其加热太阳风的直接证据

2017年12月08日 星期五 09:17:14

行星际日冕物质抛射(ICME)在内日球层径向传播过程中会不断膨胀。天气室王赤研究员、刘颍研究员等早期的统计研究表明:ICME的膨胀过程是非绝热的,存在局地加热过程。一般认为,行星际空间的低频阿尔芬波通过非线性串级过程可将能量从大尺度向小尺度结构传输,是ICME等离子体的主要加热机制之一。

然而,学者们对阿尔芬波加热机制的了解更多的是通过理论分析和数值模拟获得的,观测方面的工作并不多见。2016年,天气室的李晖、王赤、张灵倩,与北京大学和麻省理工学院的合作者一起,利用统计研究找到了阿尔芬波加热ICME等离子体的间接观测证据。他们统计分析了Voyager 2观测到的33个ICME事件,发现 ICME中存在数量可观的阿尔芬波信号并随着日心距的增加而减少;与此同时,阿尔芬波和等离子温度均呈现类似的“W”型分布,间接证明了阿尔芬波对ICME等离子体局地加热的贡献。

最近,天气室的李晖和王赤研究员与合作者,利用Wind和Ulysses卫星数据追踪研究了1998年3月的同一个ICME事件从1 AU到5.4 AU的演化过程,进一步给出了更为直接的加热证据。他们发现:1 AU时,ICME中的阿尔芬波信号约占到ICME总时间的21.7%,其频率范围较宽(4×10-4 -- 5×10-2 Hz)。当ICME传播到5.4 AU处时,阿尔芬波衰减的很剧烈,仅在几个非常窄的频带可以见到,并且只占到总时间的3%。另外,对于阿尔芬波贫瘠区,磁场强度由于膨胀效应从1.0 AU到5.4 AU降低了10倍,但湍流串级率还几乎保持在同一个水平上;而对于阿尔芬波富含区而言,阿尔芬波的耗散引起磁能向热能的转化,导致磁场强度和湍流串级率有了更大幅度的下降,分别降低了20倍和36倍。进一步地,ICME在1 AU处的串级耗散率为2688.6 J kg-1 s-1,可以满足ICME等离子体局地加热所需的1653.2 J kg-1 s-1

该项研究首次追踪了同一个ICME事件中阿尔芬波的径向演化过程,给出了阿尔芬波耗散加热ICME等离子体的直接证据,为理解空间物理学的世纪难题——太阳风的加热和加速提供了新的观测线索。本论文发表在本领域著名的学术期刊The Astrophysical Journal Letters上。

文章列表及链接:

Li. H., C. Wang, J. D. Richardson, et al., Evolution of Alfvénic Fluctuations inside an Interplanetary Coronal Mass Ejection and Their Contribution to Local Plasma Heating: Joint Observations from 1.0 to 5.4 au, 2017, ApJL, 851, 1.

(http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aa9c3f/meta)



图1:1998年3月的ICME事件概况,左)Wind卫星在1 AU;右)Ulysses卫星在5.4 AU

图2:ICME内磁扰的功率谱,左)Wind卫星在1 AU;右)Ulysses卫星在5.4 AU

 

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