面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

首頁 > 科研進展

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
【字體:

語音播報

  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)驅動的激波可産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颍團隊在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。

  当前,学界对CME驱动激波的研究集中在1AU(日地平均距离)附近,主要原因是大部分空间探测卫星部署在1AU附近或近地轨道上,如Wind、STEREO、Cluster、双星和MMS等,使学界缺少对近日原初太阳风条件下新生CME驱动激波特性的了解。激波主要的太阳高能粒子加速发生在离太阳较近的距离,而研究表明,快激波事件在近日太阳风中的马赫数可达到10~15,该新生的近日激波和通常在1AU附近观测到的低马赫数激波存在差异。最近2年,国际上相继发射太阳抵近观测卫星“帕克太阳探针” (Parker Solar Probe,PSP)和太阳环绕观测卫星(Solar Orbiter),为学界研究近日激波提供机会。

  空间中心副研究员杨忠炜基于PSP卫星前三轨获得的近日点太阳风观测数据,利用全粒子模拟(PIC)研究CME驱动激波的动理学特征。研究发现:在激波前沿,反射离子与当地太阳风背景电子之间存在相对漂移,离子束流与具有多普勒频移的电子伯恩斯坦模耦合触发电子回旋漂移不稳定性(ECDI),激发出具有多支谐波的准静电模。该静电波能加速一部分太阳风电子并形成弱相对论级别的环状速度分布。该环状分布的电子与背景热电子继续相互作用,在多普勒频移的高混杂频率附近激发出双向静电波。被静电波多次加速的电子能够激发指向上游的高频电磁波(X模),其物理机制类似于马里兰大学教授吴京生提出的电子回旋脉泽辐射机制(Cyclotron Maser Instability,该机制解释过地球极区弱相对论级电子激发千米波辐射等物理现象)。研究人员通过探讨一系列激波参量发现,当马赫数降低到5甚至更低时,ECDI仍普遍存在;当马赫数大于10时,ECDI夹杂Buneman不稳定性,使朗缪尔振荡频率(或高混杂频率)附近的静电波大幅振强,从而有效加速电子并激发高频电磁波。研究人员将二维模拟扩展到三维,结果表明在三维模拟中存在与二维模拟相似的波动特性。ECDI沿激波面激发的静电波可强于沿激波法向激发的静电波。

  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的頻率觀測範圍能覆蓋高頻射電暴(電磁波)和低頻的等離子體波動,爲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。该研究揭示在10个太阳半径处的电子加速机制、微观不稳定性以及静电波和电磁波的激发机制;首次提出有别于三波相互作用等非线性过程激发II型射电暴的可能机制,即激波面内自激发的静电波将部分太阳风电子加速到弱相对论级别后,进一步激发高频电磁波的相对论线性激发机制;开拓激波电子加速机制和射电激发研究的新思路,为PSP和Solar Orbiter对激波微观结构、高频射电信号以及等离子体波动的观测提供预言。

  論文链接

  圖1.近日太陽風條件下激波粒子的動理學行爲(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

© 1996 - 中国科学院 版权所有 京ICP備05002857號 京公網安備110402500047號

地址:北京市三里河路52号 邮编:100864

电话: 86 10 68597114(总机) 86 10 68597289(值班室)

编辑部郵箱:casweb@cashq.ac.cn