[論文レビュー] Advances in Fluid Modeling of the Solar Wind. Part 1: Electron and Anisotropic Proton Temperatures from the Collisionless Dissipation of Alfven Wave Turbulence

Benjamin D. G. Chandran, Timothy J. Dennis+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、電子と陽子の別個のエネルギー方程式を含み、温度異方性および衝突なし熱フラックスを考慮した1次元太陽風モデルを構築し、アルベール波乱流による加熱を模擬する。乱流の散逸に加え、ミラーおよびファイアホース不安定性といった不安定性が、観測された高速太陽風の状態を再現できることを示し、アルベール波乱流が主要な加熱機構であることを支持する。

ABSTRACT

We develop a 1D solar-wind model that includes separate energy equations for the electrons and protons, proton temperature anisotropy, collisional and collisionless heat flux, and an analytical treatment of low-frequency, reflection-driven, Alfven-wave turbulence. To partition the turbulent heating between electron heating, parallel proton heating, and perpendicular proton heating, we employ results from the theories of linear wave damping and nonlinear stochastic heating. We account for mirror and oblique firehose instabilities by increasing the proton pitch-angle scattering rate when the proton temperature anisotropy exceeds the threshold for either instability. We numerically integrate the equations of the model forward in time until a steady state is reached, focusing on two fast-solar-wind-like solutions. These solutions are consistent with a number of observations, supporting the idea that Alfven-wave turbulence plays an important role in the origin of the solar wind.

研究の動機と目的

• 電子および陽子の温度を別々に扱う1次元太陽風モデルの開発。温度異方性および熱フラックスを含む。
• アルベール波の乱流散逸が、電子加熱および陽子の並進および垂直方向加熱にエネルギーをどのように分配するかを調査すること。
• ミラーおよび斜めファイアホース不安定性を組み込み、陽子の温度異方性が臨界値を超えた際に陽子のピッチ角散乱を強化すること。
• 数値的にモデルを時間発展させ、定常状態に達するまで積分し、観測データと比較すること。

提案手法

• 電子および陽子の別個のエネルギー方程式を定式化し、衝突項および衝突なしの熱フラックス項を含む。
• 低周波数で反射駆動のアルベール波乱流の解析的モデルを用い、加熱を駆動する。
• 線形波減衰理論および非線形確率的加熱理論を用いて、乱流エネルギーを電子および陽子の温度成分に分配する。
• 陽子の温度異方性がミラーまたは斜めファイアホース不安定性の臨界値を超えた場合に、陽子のピッチ角散乱を強化する。
• 時間発展に伴い系を数値的に積分し、定常状態の解に達するまで計算を実行する。
• 観測データとの比較のため、2つの高速太陽風に類似した解に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アルベール波の乱流エネルギーは、電子加熱および陽子の並進および垂直方向加熱にどのように分配されるか？
• RQ2 ミラーおよび斜めファイアホース不安定性は、太陽風における陽子の温度異方性をどの程度制御するか？
• RQ3 別個の電子および陽子エネルギー方程式を有する1次元モデルは、高速太陽風における観測された温度プロファイルを再現できるか？
• RQ4 衝突なしの熱フラックスおよび波駆動加熱メカニズムは、太陽風の熱的構造にどのように影響を与えるか？
• RQ5 反射駆動のアルベール波乱流は、定常状態の太陽風条件を達成するために果たす役割は何か？

主な発見

• モデルは、観測データと整合する電子および陽子の温度を持つ、高速太陽風に類似した解を成功裏に再現した。
• 乱流加熱は、線形減衰および確率的加熱によって電子および陽子に分配され、並進および垂直方向の陽子温度に明確な寄与が見られた。
• ミラーおよび斜めファイアホース不安定性は、陽子の温度異方性を効果的に制限し、臨界値を超えた際にピッチ角散乱を増加させる。
• 衝突なしの熱フラックスおよび波駆動加熱の組み込みにより、観測傾向と一致する定常状態の解に到達できた。
• 結果は、アルベール波乱流が太陽風加熱および熱的制御の主要メカニズムであるという仮説を支持する。