[论文解读] Solar wind charge exchange in cometary atmospheres. I. Charge-changing and ionization cross sections for He and H particles in H$_2$O

Cyril Simon Wedlund, Dennis Bodewits+8 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Feb 13, 2019

Astro and Planetary Science参考文献 88被引用 5

一句话总结

本研究针对太阳风能量范围（100–800 km/s）和温度范围（10⁵–10⁶ K）下，H和He离子与H₂O蒸气碰撞的电荷交换和电离截面，提出了多项式拟合。在典型太阳风速度下，He²⁺的单电子和双电子俘获是主导过程，其麦克斯韦平均截面通过双变量多项式拟合，适用于彗星等离子体模型。

ABSTRACT

Solar wind charge-changing reactions are of paramount importance to the physico-chemistry of the atmosphere of a comet, mass-loading the solar wind through an effective conversion of fast light solar wind ions into slow heavy cometary ions. To understand these processes and place them in the context of a solar wind plasma interacting with a neutral atmosphere, numerical or analytical models are necessary. Inputs of these models, such as collision cross sections and chemistry, are crucial. Book-keeping and fitting of experimentally measured charge-changing and ionization cross sections of hydrogen and helium particles in a water gas are discussed, with emphasis on the low-energy/low-velocity range that is characteristic of solar wind bulk speeds ($< 20$ keV u$^{-1}$/$2000$ km s$^{-1}$). We provide polynomial fits for cross sections of charge-changing and ionization reactions, and list the experimental needs for future studies. We calculated Maxwellian-averaged cross sections and fitted them with bivariate polynomials for solar wind temperatures ranging from $10^5$ to $10^6$ K ($12-130$ eV). Single- and double-electron captures by He$^{2+}$ dominate at typical solar wind speeds. Correspondingly, single-electron capture by H$^+$ and single-electron loss by H$^-$ dominate at these speeds, resulting in the production of energetic neutral atoms (ENAs). Ionization cross sections all peak at energies above $20$ keV and are expected to play a moderate role in the total ion production. The effect of solar wind Maxwellian temperatures is found to be maximum for cross sections peaking at higher energies, suggesting that local heating at shock structures in cometary and planetary environments may favor processes previously thought to be negligible.

研究动机与目标

• 提供与彗星环境相关的H和He离子与H₂O蒸气碰撞的精确、基于实验的电荷交换和电离截面。
• 利用多项式拟合，建立截面随能量和温度变化的模型，以供等离子体和电荷交换模型使用。
• 量化太阳风温度范围（10⁵–10⁶ K）内麦克斯韦平均截面的作用，特别是与ENA产生和电离效率的关系。
• 支持对太阳风与彗星相互作用的原位建模，尤其针对罗塞塔任务在67P/Churyumov-Gerasimenko彗星的观测数据。
• 识别在典型太阳风速度（100–800 km/s）下占主导地位的反应通道，如He²⁺的单/双电子俘获和H⁺的单电子俘获。

提出的方法

• 整理并记录H⁺、H⁻、He²⁺和He⁺与H₂O蒸气碰撞的实验测量电荷交换和电离截面数据。
• 开发截面随入射粒子能量和太阳风温度变化的多项式拟合（最高至(4,5)次）。
• 利用速度分布计算太阳风温度范围（10⁵–10⁶ K）内的麦克斯韦平均截面。
• 对所得平均截面使用双变量多项式进行拟合，以适用于数值和解析模型。
• 整合来自实验数据和拟合过程的不确定性，误差估计以<25%、25–75%或>75%表示。
• 使用CDFF数据库，并与现有数据集交叉核对，以确保输入数据的完整性和准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在典型太阳风速度（100–800 km/s）下，彗星大气中哪些电荷交换和电离过程占主导地位？
• RQ2 H和He离子在H₂O中的麦克斯韦平均截面如何随太阳风温度（10⁵–10⁶ K）变化？
• RQ3 在67P彗星条件下，He²⁺在H₂O中单电子与双电子俘获过程的相对贡献如何？
• RQ4 H和He在H₂O中的电离截面如何随能量变化？其在不同太阳风温度下对总离子生成的贡献如何？
• RQ5 激波结构中的局部加热在多大程度上影响了以往被认为可忽略的高能截面的重要性？

主要发现

• 在典型太阳风速度（100–800 km/s）下，He²⁺的单电子和双电子俘获主导了电荷交换过程，是彗星大气质量加载的主要驱动力。
• 对于H⁺，单电子俘获占主导；对于H⁻，单电子损失是主要过程，二者均显著贡献于能量中性原子（ENA）的产生。
• 电离截面在高于20 keV的能量处达到峰值，对总离子生成的贡献中等，但在局部加热条件下其贡献会增加。
• 太阳风麦克斯韦温度对峰值出现在较高能量的截面影响最为显著，表明彗星环境中激波加热可能增强以往被认为可忽略的过程。
• 提供了从0.025×10⁶ K到10×10⁶ K太阳风温度范围内的麦克斯韦平均截面双变量多项式拟合，可直接集成到等离子体和电荷交换模型中。
• 本研究提供了全面、基于实验的截面数据集及其不确定性，对模拟罗塞塔任务期间67P彗星的等离子体环境至关重要。