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空間中心在近日激波動理學研究中取得進展

2020-09-15 國家空間科學中心
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  激波是空間和天文中一種常見且重要的物理現象,在能量耗散和高能粒子加速中發揮作用。太陽風暴(CME)驅動的激波可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研究員劉潁團隊在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系列原創性成果。近期,科研團隊進一步研究近日太陽風條件下激波的動理學特征。

  當前,學界對CME驅動激波的研究集中在1AU(日地平均距離)附近,主要原因是大部分空間探測衛星部署在1AU附近或近地軌道上,如Wind、STEREO、Cluster、雙星和MMS等,使學界缺少對近日原初太陽風條件下新生CME驅動激波特性的了解。激波主要的太陽高能粒子加速發生在離太陽較近的距離,而研究表明,快激波事件在近日太陽風中的馬赫數可達到10~15,該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差異。最近2年,國際上相繼發射太陽抵近觀測衛星“帕克太陽探針” (Parker Solar Probe,PSP)和太陽環繞觀測衛星(Solar Orbiter),為學界研究近日激波提供機會。

  空間中心副研究員楊忠煒基于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CME驅動激波的動理學特征。研究發現: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,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。該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。該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。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教授吳京生提出的電子回旋脈澤輻射機制(Cyclotron Maser Instability,該機制解釋過地球極區弱相對論級電子激發千米波輻射等物理現象)。研究人員通過探討一系列激波參量發現,當馬赫數降低到5甚至更低時,ECDI仍普遍存在;當馬赫數大于10時,ECDI夾雜Buneman不穩定性,使朗繆爾振蕩頻率(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。研究人員將二維模擬擴展到三維,結果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強于沿激波法向激發的靜電波。

  在未來的5至6年中,太陽活動將逐漸進入極大期。研究人員預見將有大量太陽爆發和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儀器將給研究人員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,為觀測和數值模擬的直接對比提供機會。

  相關研究成果發表在The Astrophysical Journal Letters上。該研究揭示在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;開拓激波電子加速機制和射電激發研究的新思路,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預言。

  論文鏈接

  圖1.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2.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

打印 責任編輯:張芳丹

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