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实验室科研人员发现等离子体β值
对日球层电流片附近磁流体力学波动的调制作用

2020年02月03日 星期一 154323

磁流体力学波动(MHD波动,通常指阿尔芬波、快磁声波和慢磁声波)是空间等离子体中频率远低于离子回旋频率的波动,也是主要的行星际太阳风扰动。在太阳风就地观测中,阿尔芬波比较常见,而快/慢磁声波则由于强的朗道阻尼相对少见。然而,一些局地激发机制的存在使得我们依然有机会在行星际太阳风中观测到快/慢磁声波。比如,小尺度波动和大尺度太阳风剪切流或磁场梯度结构相互作用可以产生多种MHD波动;此外,理论上认为阿尔芬波参量不稳定性也可使得前向传播的阿尔芬波产生后向传播的阿尔芬波以及前向传播的磁声波。

日球层电流片(HCS)及其附近经常伴随的日球层等离子体片(HPS)被认为是存在丰富MHD波动的太阳风扰动结构,并且在一些个例观测和数值模拟研究中得到了证实。比如,天气室戴磊研究员等人曾在2014年的GRL文章中发现HCS穿越中存在快磁声波。然而,统计研究的缺乏也使得我们难以全面了解HCS/HPS附近MHD波动的分布特性以及波模转化。

近日,空间天气学国家重点实验室王赤研究员团队的李晖研究员与李念旺博士生等合作者一起,在2016年JGR文章的基础上继续发展了根据频率分析诊断MHD波动的方法,统计分析了Wind卫星1995-2013年间观测到的154个HCS事件,并通过频率相关的判别方法检测了HCS/HPS附近的MHD波动分布特性。他们发现在HCS/HPS附近MHD波动的发生率受到HPS内等离子体β值的调制:(1)当β>5时,阿尔芬波和慢磁声波在HPS之中都明显衰减,它们的发生率从HCS上/下游的60%与20%,分别降至HPS区域的41%和14%;(2)当1<β≤5时,阿尔芬波的发生率则几乎保持不变。然而,穿越HCS后产生更多的慢磁声波,其发生率从HCS上/下游的13%增加到22%;(3)当β≤1时,阿尔芬波和慢磁声波的发生率保持在58%和20%左右。剩下的没有明显HPS的HCS事件统计结果则与低β-HPS的情况相似。经过进一步的分析,他们提出了阿尔芬波参数不稳定性是HPS中慢磁声波产生的原因之一,并给出了一个直接的观测证据。

该项研究首次统计分析了HCS附近的MHD波动的特性,发现了MHD波动特性与等离子β值密切相关,给出了阿尔芬波参数不稳定性影响HPS中慢波产生的观测证据,为我们更好的认识HCS附近MHD波动的演化分布以及波模转换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:

H. Li, N. W. Li, C. Wang, S. Yao, Plasma-beta Modulated Characteristics of Magnetohydrodynamic Waves around the Heliospheric Current Sheet, 2020, ApJL, 889, 1.(https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab698f



图1:HCS穿越伴随高β-HPS事件时序叠加分析图 左)Wind卫星穿越事件的观测;右)MHD波动的发生率分布

图2:2004年7月19日HCS穿越期间阿尔芬波参量不稳定性的观测线索 上)阿尔芬波和慢磁声波在不同频段的观测;下)Wind卫星对此次HCS事件的观测

 

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