[논문 리뷰] Ambipolar electric field and potential in the solar wind estimated from electron velocity distribution functions

Laura Berčič, M. Maksimović외 18명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 19.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 82인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 퍼커 스플라우 프로브의 전자 속도 분포함수(VDF)를 이용해 태양 근처 태양풍에서 이심전기장(E∥)과 잠재력(Φr,∞)을 경험적으로 추정한다. 충돌 없는 외구역 전자 절단의 잔여물로 여겨지는 태양 쪽 전자 부족을 식별하고, 안정 전자 비상 모델을 적용함으로써 E∥는 반경 방향 거리에 따라 r−1.69로 감소하고, Φr,∞는 r−0.66로 감소함을 발견하였으며, 이는 45 RS에서 관측된 양성자 속도의 77%를 기여한다.

ABSTRACT

The solar wind escapes from the solar corona and is accelerated, over a short distance, to its terminal velocity. The energy balance associated with this acceleration remains poorly understood. To quantify the global electrostatic contribution to the solar wind dynamics, we empirically estimate the ambipolar electric field ($\mathrm{E}_\parallel$) and potential ($\Phi_\mathrm{r,\infty}$). We analyse electron velocity distribution functions (VDFs) measured in the near-Sun solar wind, between 20.3\,$R_S$ and 85.3\,$R_S$, by the Parker Solar Probe. We test the predictions of two different solar wind models. Close to the Sun, the VDFs exhibit a suprathermal electron deficit in the sunward, magnetic field aligned part of phase space. We argue that the sunward deficit is a remnant of the electron cutoff predicted by collisionless exospheric models (Lemaire & Sherer 1970, 1971, Jockers 1970). This cutoff energy is directly linked to $\Phi_\mathrm{r,\infty}$. Competing effects of $\mathrm{E}_\parallel$ and Coulomb collisions in the solar wind are addressed by the Steady Electron Runaway Model (SERM) (Scudder 2019). In this model, electron phase space is separated into collisionally overdamped and underdamped regions. We assume that this boundary velocity at small pitch angles coincides with the strahl break-point energy, which allows us to calculate $\mathrm{E}_\parallel$. The obtained $\Phi_\mathrm{r,\infty}$ and $\mathrm{E}_\parallel$ agree well with theoretical expectations. They decrease with radial distance as power law functions with indices $\alpha_\Phi = -0.66$ and $\alpha_\mathrm{E} = -1.69$. We finally estimate the velocity gained by protons from electrostatic acceleration, which equals to 77\% calculated from the exospheric models, and to 44\% from the SERM model.

연구 동기 및 목표

• 이심전기장(E∥)과 잠재력(Φr,∞)의 전기적 기여도가 태양풍 가속에 얼마나 기여하는지 정량화하는 것.
• 관측된 VDF 내 태양 쪽 전자 부족이 충돌 없는 외구역 모델이 예측한 전자 절단과 일치하는지 테스트하는 것.
• 안정 전자 비상 모델(SERM)을 사용하여 E∥를 추정하는 것. 이때, 스트랄의 끝점 에너지가 충돌에 의한 감쇠 경계를 나타낸다고 가정한다.
• 외구역 모델과 SERM을 사용하여 이심가속이 총 태양풍 양성자 속도에 얼마나 기여하는지 평가하는 것.
• 20.3 RS에서 85.3 RS 사이의 경험적 VDF 분석을 기반으로 Φr,∞와 E∥의 반경 스케일링 법칙을 도출하는 것.

제안 방법

• 퍼커 스플라우 프로브의 SWEAP 및 FIELDS 기구에서 수집한 궤도 4–7 동안의 전자 속도 분포함수(VDF)를 분석한다.
• 위상공간에서 태양 쪽 방향의 절단 에너지(EC)를 식별한다. 이는 VDF가 이중 맥스웰 분포에 적합하지 않을 때의 에너지 임계값으로, 외구역 모델에서의 전자 절단으로 해석된다.
• 태양에서 멀어지는 방향에서 스트랄 끝점 에너지(EBP)를 정의한다. 이는 코어와 스트랄 집단 간의 경계로 간주된다.
• EC를 사용하여 Φr,∞ = EC/e 공식을 통해 이심잠재력 Φr,∞를 추정한다. 이때 EC가 무한대까지의 잠재력 차이와 일치한다고 가정한다.
• SERM 모델을 적용하여 E∥를 추정한다. 이때 EBP가 위상공간에서 충돌에 의해 과다감쇠된 영역과 미흡감쇠된 영역을 나누는 분리경계를 나타낸다고 가정한다.
• 경험적 데이터를 사용하여 Φr,∞와 E∥의 반경 스케일링 법칙을 등급법으로 적합시키며, 각각 αΦ = −0.66 및 αE = −1.69로 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 VDF 내 태양 쪽 전자 부족이 충돌 없는 외구역 모델이 예측한 전자 절단과 일치하는가?
• RQ2 안정 전자 비상 모델(SERM)에서 스트랄 끝점 에너지(EBP)를 충돌 감쇠 경계의 대체 지표로 사용할 수 있는가?
• RQ3 태양 근처 태양풍에서 이심잠재력(Φr,∞)과 전기장(E∥)의 반경 스케일링 법칙은 무엇인가?
• RQ4 45 RS에서 관측된 양성자 속도의 몇 퍼센트가 외구역 모델과 SERM 모델을 통해 이심가속에 기인하는가?
• RQ5 예를 들어 쿨롱 충돌로 인한 경계 위치의 불확실성은 E∥와 Φr,∞ 추정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이심잠재력 Φr,∞는 반경 방향 거리에 따라 r−0.66로 감소하며, 이는 운동학적 시뮬레이션과 일치하지만, 수치적 추정보다 약간 작은 크기를 가진다.
• 이심전기장 E∥는 r−1.69로 감소하며, 내 헬리오스피어에서 순서 1 nV/m의 크기를 가진다.
• 외구역 모델과 EC를 사용하여 추정한 최종 양성자 속도는 286 km s−1이며, 이는 45 RS에서 관측된 양성자 속도의 77%에 해당한다.
• SERM 모델과 EBP를 사용하여 추정한 최종 양성자 속도는 175 km s−1이며, 이는 45 RS에서 관측된 속도의 44%에 해당한다.
• Φr,∞의 반경 경향은 BiCoP 운동학 모델과 양호한 일치를 보이며, EC 기반 추정의 경험적 타당성을 뒷받침한다.
• 두 모델 간의 격차는 SERM에서 E∥가 충돌 감쇠 경계의 비대칭성으로 인해 과소평가되었을 가능성을 시사하며, 보정이 이루어지면 더 높은 최종 속도가 도출될 수 있다.