[論文レビュー] Ambipolar electric field and potential in the solar wind estimated from electron velocity distribution functions

Laura Berčič, M. Maksimović+18 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 82被引用数 27

ひとこと要約

本研究では、パーカー太陽探査機からの電子速度分布関数（VDF）を用いて、太陽近傍の太陽風における双極的電場（E∥）および電位（Φr,∞）を経験的に推定した。太陽に向かう電子の欠損を衝突なしの外層モデルで予測される電子切断の残渣として特定し、定常電子走破モデル（SERM）を適用することで、E∥がr−1.69に比例して減少し、Φr,∞がr−0.66に比例することが判明した。これらの値は、45 RSにおける観測された陽子速度の77％を占めている。

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.

研究の動機と目的

• 双極的電場（E∥）および電位（Φr,∞）による静電的寄与が太陽風加速にどの程度寄与しているかを定量化すること。
• VDFにおける観測された太陽に向かう電子の欠損が、衝突なしの外層モデルで予測される電子切断に対応しているかどうかを検証すること。
• 定常電子走破モデル（SERM）を用いてE∥を推定し、ストレールの折り返しエネルギーが衝突による減衰境界を示すものと仮定すること。
• 外層モデルおよびSERMの2つの理論的モデルを用いて、双極的加速が全太陽風陽子速度にどの程度寄与しているかを評価すること。
• 20.3 RSから85.3 RSの範囲における経験的VDF解析に基づき、Φr,∞およびE∥の半径方向スケーリング則を特定すること。

提案手法

• パーカー太陽探査機のSWEAPおよびFIELDS機器が取得した、軌道4～7における電子速度分布関数（VDF）を分析した。
• 相空間における太陽に向かう方向での切断エネルギー（EC）を、VDFが二重マクスウェル分布フィットから逸脱するエネルギー閾値として特定した。これは外層モデルにおける電子切断と解釈される。
• 反太陽方向におけるストレールの折り返しエネルギー（EBP）を、コアおよびストレールの集団の境界として定義した。
• ECを用いて、Φr,∞ = EC/eの式により双極的電位Φr,∞を推定した。この際、ECが無限遠点までの電位差に対応すると仮定した。
• SERMモデルを適用し、EBPが相空間における衝突による過大減衰領域と未減衰領域の分離境界を示すものと仮定することで、E∥を推定した。
• 経験的データを用いて、Φr,∞およびE∥の半径方向スケーリング則をべき乗則としてフィットし、それぞれαΦ = −0.66およびαE = −1.69を得た。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VDFにおける観測された太陽に向かう電子の欠損が、衝突なしの外層モデルで予測される電子切断に対応しているか？
• RQ2 ストレールの折り返しエネルギー（EBP）を、定常電子走破モデル（SERM）における衝突による減衰境界の代理として用いることができるか？
• RQ3 太陽近傍の太陽風における双極的電位（Φr,∞）および電場（E∥）の半径方向スケーリング則は何か？
• RQ4 45 RSにおける観測された陽子速度の何パーセントが、外層モデルおよびSERMモデルによる双極的加速に起因しているか？
• RQ5 Coulomb衝突の影響などによる境界位置の不確実性が、E∥およびΦr,∞の推定値にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 双極的電位Φr,∞は半径距離とともにr−0.66に比例して減少し、キネティックシミュレーションと整合的であるが、数値的推定値よりもわずかに絶対値が小さい。
• 双極的電場E∥はr−1.69に比例して減少し、内ヘルモスフィアでは1 nV/mのオーダーの大きさを示す。
• 外層モデルとECを用いることで推定された最終陽子速度は286 km s−1に達し、45 RSにおける観測速度の77％に相当する。
• SERMモデルとEBPを用いることで推定された最終陽子速度は175 km s−1に達し、45 RSにおける観測速度の44％に相当する。
• Φr,∞の半径的傾向はBiCoPキネティックモデルと良好に一致しており、ECに基づく推定の経験的妥当性を裏付けている。
• 2つのモデルの差異は、SERMにおいてE∥が衝突減衰境界の非対称性のため低く推定されている可能性を示唆しており、補正がなされればより高い最終速度が得られる可能性がある。