[论文解读] 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 27

一句话总结

本研究基于帕克太阳探测器获取的电子速度分布函数（VDFs），对近太阳日球风中的双极电场（E∥）和势能（Φr,∞）进行了经验估算。通过识别作为无碰撞外层大气电子截止残余的向日电子缺失，并应用稳定电子逃逸模型（Steady Electron Runaway Model），作者发现E∥随径向距离按r−1.69衰减，Φr,∞按r−0.66衰减，在45 RS处贡献了77%的观测质子速度。

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.

研究动机与目标

• 量化双极电场（E∥）和势能（Φr,∞）对太阳风加速的静电贡献。
• 检验VDF中观测到的向日电子缺失是否对应于无碰撞外层大气模型所预测的电子截止。
• 利用稳定电子逃逸模型（SERM）估算E∥，假设射束断裂点能量标志着碰撞阻尼边界的边界。
• 通过两种理论模型（外层大气模型和SERM）评估双极加速对总太阳风质子速度的贡献。
• 基于20.3 RS至85.3 RS之间的经验VDF分析，确定Φr,∞和E∥的径向标度律。

提出的方法

• 分析帕克太阳探测器在第4至第7次轨道期间，SWEAP和FIELDS仪器获取的电子速度分布函数（VDFs）。
• 在相空间的向日方向识别截止能量（EC），即VDF偏离双麦克斯韦拟合的能级阈值，解释为外层大气模型中的电子截止。
• 在背日方向定义射束断裂点能量（EBP），作为核心与射束种群之间的边界。
• 通过Φr,∞ = EC/e，利用EC估算双极势能Φr,∞，假设EC对应于无穷远距离的电势差。
• 应用SERM模型，通过假设EBP标志着相空间中碰撞过度阻尼与阻尼不足区域的分界线，估算E∥。
• 使用经验数据，对Φr,∞和E∥的径向标度律进行幂律拟合，分别得到αΦ = −0.66和αE = −1.69。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的VDF中向日电子缺失是否与无碰撞外层大气模型预测的电子截止相对应？
• RQ2 在稳定电子逃逸模型（SERM）中，射束断裂点能量（EBP）是否可作为碰撞阻尼边界的代理？
• RQ3 近太阳日球风中双极势能（Φr,∞）和电场（E∥）的径向标度律是什么？
• RQ4 在45 RS处，双极加速通过外层大气模型和SERM模型可解释观测质子速度的多少比例？
• RQ5 边界位置的不确定性（例如，由于库仑碰撞）如何影响E∥和Φr,∞的估算？

主要发现

• 双极势能Φr,∞随径向距离按r−0.66减小，与动力学模拟结果一致，但幅值略小于数值估算值。
• 双极电场E∥按r−1.69减小，在内日球风中量级约为1 nV/m。
• 使用外层大气模型和EC估算的终端质子速度达到286 km s−1，占45 RS处观测质子速度的77%。
• 使用SERM模型和EBP估算的终端质子速度为175 km s−1，占45 RS处观测速度的44%。
• Φr,∞的径向趋势与BiCoP动力学模型高度一致，支持基于EC估算的实证有效性。
• 两种模型之间的差异表明，SERM可能低估了E∥，原因可能是碰撞阻尼边界存在潜在不对称性，若加以修正，可能导致更高的终端速度。