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实验室科研人员利用Voyager卫星数据和全粒子模拟方法
揭示日球层终止激波的微观结构和耗散机制

2015年08月11日 星期二 16:17:31

近日,实验室杨忠炜、刘颍等人利用Voyager卫星的观测数据和全粒子模拟,分析2007年8月31日-9月1日的日球层终止激波穿越事件,揭示日球层终止激波的微观结构和耗散机制。这一工作发表在美国SCI一流期刊The Astrophysical Journal上。

由于受到外部星际介质的约束,从太阳往外吹的太阳风形成了一个泡,即日球层。太阳风和星际介质的交界面叫做日球层顶。在太阳风到达日球层顶之前,就已经从超音速流(太阳风区域)降为了亚音速流(日鞘层区域),这个太阳风从超音速到亚音速的过渡层被称为日球层终止激波。日球层终止激波被普遍认为是反常宇宙射线的源头,它是空间和天体物理中一个重要的无碰撞激波实例。观测资料表明,同样是无碰撞激波,日球层终止激波与地球舷激波的微观结构和耗散机制存在较大差别。至今,这个问题的答案仍不清楚。

首先,我们考虑到日球层终止激波附近存在大量具有球壳状速度分布的Pickup ions(约占总离子数的25%),利用全粒子模拟对这种多成分太阳风条件下的无碰撞激波进行了研究。结果表明:(1)Pickup ions在日球层终止激波的耗散中起主导作用,86%的上游离子宏观动能在激波面处转化为了下游Pickup ions的热能;(2)激波下游/日鞘层的离子速度分布函数包含:一个冷核,主要由直接穿过激波的太阳风离子形成;一个较热的中能段,由激波反射的太阳风离子和直接穿过激波的Pickup ions共同组成;一个高能尾,由激波反射的Pickup ions形成。其次,我们利用Voyager 2号飞船的等离子体探测器数据和数值模拟,解释终止激波穿越事件中观测到的磁场微观结构和等离子体速度分布函数。从观测和模拟得到的结果来看,两者符合得较好(图1)。这有力地说明,日球层终止激波面内,Pickup ions将大部分的宏观流动能量耗散成了热能,从而使日球层终止激波的结构和耗散机制有别于一般的无碰撞激波。

该研究对于人们认识无碰撞激波的微观结构和耗散机制等基本物理问题具有重要意义。

相关链接:http://iopscience.iop.org/0004-637X/809/1/28/

Citation:Z. W. Yang, Y. D. Liu, J. D. Richardson, Q. M. Lu, C. Huang, and R. Wang (2015), Impact of pickup ions on the shock front nonstationarity and energy dissipation of the heliospheric termination shock: two-dimensional full particle simulations and comparison with Voyager 2 observations, ApJ, 809, 28.



图一:Voyager 2号飞船观测到的日球层终止激波(a)磁场和(b)离子分布函数;全粒子模拟得到的终止激波(c)磁场和(d)离子分布函数(模拟Voyager飞船的法拉第杯粒子计数范围)。(e)模拟中完整形态的离子速度分布函数(包含所有的太阳风离子和Pickup ions)。

 

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