[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究开发了一款一维太阳风模型，分别对电子和质子引入能量方程，包含温度各向异性和无碰撞热通量，以模拟通过阿尔芬波湍流引起的加热。结果表明，湍流耗散与镜像和梯度火球不稳定性等不稳定性共同作用，可重现观测到的快速太阳风条件，支持阿尔芬波湍流作为关键加热机制。

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.

研究动机与目标

• 开发一个能够分别解析电子和质子温度的一维太阳风模型，包含各向异性和热通量。
• 研究阿尔芬波湍流耗散如何将能量分配至电子加热、质子平行加热和垂直加热。
• 通过在质子温度各向异性超过镜像或斜向火球不稳定性阈值时增强质子投掷角散射，引入镜像和斜向火球不稳定性。
• 对模型进行数值积分直至达到稳态，并与原位太阳风观测结果进行比较。

提出的方法

• 分别建立包含碰撞项和无碰撞热通量项的电子和质子能量方程。
• 利用低频、反射驱动的阿尔芬波湍流的解析模型来驱动加热过程。
• 应用线性波阻尼和非线性随机加热理论，将湍流能量在电子和质子温度分量之间进行分配。
• 当质子温度各向异性超过镜像或斜向火球不稳定性阈值时，引入增强的质子投掷角散射。
• 将系统向前数值积分，直至达到稳态解。
• 聚焦于两种类似快速太阳风的解，用于与观测数据对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 阿尔芬波湍流的湍流能量如何在电子加热与质子平行加热和垂直加热之间分配？
• RQ2 镜像和斜向火球不稳定性在多大程度上调节太阳风中质子温度各向异性？
• RQ3 包含独立电子和质子能量方程的一维模型能否重现快速太阳风中观测到的温度分布？
• RQ4 无碰撞热通量和波阻尼机制如何影响太阳风的热结构？
• RQ5 反射驱动的阿尔芬波湍流在实现太阳风稳态条件中发挥何种作用？

主要发现

• 该模型成功重现了与快速太阳风相似的解，其电子和质子温度与原位观测结果一致。
• 湍流加热通过线性阻尼和随机加热在电子和质子之间分配，对质子平行和垂直温度有显著不同的贡献。
• 镜像和斜向火球不稳定性能有效限制质子温度各向异性，当超过阈值时显著增强投掷角散射。
• 引入无碰撞热通量和波驱动加热后，模型能够达到与观测趋势一致的稳态解。
• 结果支持阿尔芬波湍流是太阳风加热和热调节主导机制的假设。