ICME等离子体的阿尔芬波加热机制被证实

ICME中阿尔芬波加热等离子体的示意图
ICME中阿尔芬波加热等离子体的示意图

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。如果该膨胀是绝热过程,那么一般认为ICME内等离子体温度的下降速度会比周围的太阳风等离子体要快。近期,中国科学院国家空间科学中心王赤研究员、刘颍研究员等人通过对早期的统计研究进行分析 [1],发现30 AU以内ICME等离子体温度的下降速率和周围太阳风的情况大体相当,并且经验性确定的多方过程指数也在1.15~1.33之间,这与之前的预期存在不一致,表明ICME中存在等离子体加热过程。

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,这被认为是ICME等离子体的主要加热机制之一。然而迄今为止,除了北京大学和德国基尔大学的太阳风湍流联合研究团队报道过两个事例以外,鲜有ICME中的阿尔芬波见诸报端。时下,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。

最近,中国科学院空间天气学国家重点实验室的李晖和王赤研究员提出了一种新的阿尔芬波诊断方法可以有效识别行星际阿尔芬波 [2],同时避免高纯度阿尔芬波的遗漏。在此方法基础上,他们与天气室的张灵倩副研究员、北京大学的何建森教授、麻省理工学院的John D. Richardson & John W. Belcher教授展开合作研究,利用Voyager 2的观测数据分析了1~6 AU之间的33个ICME事件,发现:1)ICME中存在数量可观的阿尔芬波信号,其中30个ICME中可以诊断出高纯度阿尔芬波的存在,并大约占到ICME总时间的12.6%;2)ICME中的阿尔芬波主要集中在结构的两个边界和中部,呈“W”型分布特征。而ICME中的等离子温度也呈现出类似的“W”型分布;3)ICME中阿尔芬波的发生率相比周围太阳风中要小得多,尤其是4.75 AU以内。随着日心距的增加,ICME和周围太阳风中的阿尔芬波比例都大体上呈线性递减的规律。

 ICME中的阿尔芬波和等离子体温度的“W”型分布
ICME中的阿尔芬波和等离子体温度的“W”型分布

该项研究结果表明,阿尔芬波对ICME中的局部等离子体加热有明显的贡献,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。

论文链接:

1. Li. H., C. Wang, J. S. He, et al., Plasma Heating Inside Interplanetary Coronal Mass Ejections By Alfvénic Fluctuations Dissipation, 2016, ApJL, 831, 2.

(http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8205/831/2/L13)

2. Li. H., C. Wang, J. K. Chao, et al., A New Approach To Identify Interplanetary Alfvén Waves And To Obtain Their Frequency Properties, 2016, JGR, 121, 42.

(http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JA021749/abstract)

(据中国科学院国家空间科学中心)

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