[논문 리뷰] Whistler instability driven by the sunward electron deficit in the solar wind

Laura Berčič, Daniel Verscharen외 19명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 22.

Solar and Space Plasma Dynamics참고 문헌 70인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 태양격류 위성 관측을 통해 태양 쪽으로 향하는 전자 부족 현상에 의해 태양풍 내에서 준평행 방향의 웨이브를 유도하는 새로운 메커니즘을 규명한다. 불안정성은 파동 전파 방향과 반대 방향으로 움직이는 전자와의 사이클로트론 공명에 기인하며, 파동 성장은 직접적으로 속도 공간 부족 현상과 연결되어 있으며, 이는 최종적으로 준선형 확산에 의해 전자 열류를 감소시킨다.

ABSTRACT

Solar wind electrons play an important role in the energy balance of the solar wind acceleration by carrying energy into interplanetary space in the form of electron heat flux. The heat flux is stored in the complex electron velocity distribution functions (VDFs) shaped by expansion, Coulomb collisions, and field-particle interactions. We investigate how the suprathermal electron deficit in the anti-strahl direction, which was recently discovered in the near-Sun solar wind, drives a kinetic instability and creates whistler waves with wave vectors that are quasi-parallel to the direction of the background magnetic field. We combine high-cadence measurements of electron pitch-angle distribution functions and electromagnetic waves provided by Solar Orbiter during its first orbit. Our case study is based on a burst-mode data interval from the Electrostatic Analyser System (SWA-EAS) at a distance of 112 $R_S$ (0.52 au) from the Sun, during which several whistler wave packets were detected by Solar Orbiter's Radio and Plasma Waves (RPW) instrument. The sunward deficit creates kinetic conditions under which the quasi-parallel whistler wave is driven unstable. We directly test our predictions for the existence of these waves through solar wind observations. We find whistler waves that are quasi-parallel and almost circularly polarised, propagating away from the Sun, coinciding with a pronounced sunward deficit in the electron VDF. The cyclotron-resonance condition is fulfilled for electrons moving in the direction opposite to the direction of wave propagation, with energies corresponding to those associated with the sunward deficit.

연구 동기 및 목표

• 고주기 현장 측정을 통해 태양풍 내 준평행 방향의 웨이브 기원을 규명하기 위해.
• 최근 발견된 태양 쪽 전자 부족 현상이 운동적 불안정성에 미치는 역할을 설명하기 위해.
• 태양 쪽 전자 부족 현상과 준평행 방향 파동 벡터를 가진 웨이브의 자극 간의 인과 관계를 확립하기 위해.
• 이 불안정성이 태양풍 내 전자 열류와 에너지 재분배에 어떻게 영향을 미치는지 규명하기 위해.
• 관측 조건에서 공명 파article 상호작용에 대한 사이클로트론 공명 조건의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 태양격류 위성의 첫 번째 궤도 기간 동안 고주기 전자 속도 분포 함수(VDF)를 사용하여 태양격류 전기적 분석기 시스템(SWA-EAS)에서 확보한 데이터를 활용하였다.
• 라디오 및 플라즈마 웨이브(RPW) 기구에서 확보한 전자기파 데이터를 분석하여 준평행 방향의 웨이브 패킷을 식별하였다.
• 파동의 위상 속도와 전파 방향을 파동 기준 프레임 내 전자 VDF에 대응시켰다.
• 사이클로트론 공명 조건을 적용하여 파동 전파 방향과 반대 방향으로 움직이는 공명 전자를 식별하였다.
• 파동 기준에서 정규화된 피치각 기울기를 계산하여 준선형 확산의 방향을 평가하였다.
• 공명 전자 속도가 태양 쪽 부족 영역과 일치함을 확인하여 불안정성 메커니즘의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핵심 인구의 태양 쪽 전자 부족 현상이 준평행 방향 웨이브를 생성하는 운동적 불안정성을 유도할 수 있는가?
• RQ2 관측된 파동 특성과 함께 부족 영역 내 전자가 사이클로트론 공명 조건을 충족하는가?
• RQ3 관측된 파동 특성(편광, 전파 방향, 파동 벡터)이 예측된 불안정성 메커니즘과 일치하는가?
• RQ4 준선형 확산이 전자 부족 현상을 완화하고 전자 열류를 감소시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 태양 쪽 부족 현상의 존재가 태양풍 내 전체 에너지 균형에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 준평행, 거의 원형 편광 웨이브가 태양에서 멀어지는 방향으로 전파되며, 이는 핵심 인구 내 뚜렷한 태양 쪽 전자 부족 현상과 동시에 관측되었다.
• 태양 쪽 부족 영역에 해당하는 속도 공간 영역 내 전자에 대해 사이클로트론 공명 조건이 충족되었으며, 이는 파동과의 공명 상호작용을 확인하였다.
• 부족 영역에서 파동 기준에서 음의 피치각 기울기가 측정되었으며, 이는 부족 현상을 메우는 준선형 확산의 방향을 나타내었다.
• 태양 쪽 부족 현상에 의해 유도된 불안정성이 직접적으로 관측된 웨이브를 생성하며, 태양풍 내 웨이브 자극에 대한 새로운 메커니즘을 제공한다.
• 공명 전자의 준선형 확산은 부족 현상을 메우는 경향이 있으며, 이로 인해 태양풍이 반영하는 총 전자 열류가 감소한다.
• 관측된 파동 특성과 전자 VDF의 구조는 태양 쪽 부족 현상이 준평행 웨이브의 원천으로 작용하며, 태양풍의 가열과 에너지 운반에 영향을 미치는 시나리오와 일치한다.