[论文解读] Determination of coronal temperatures from electron density profiles

J. Lemaire|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 29被引用 11

一句话总结

本文介绍了并比较了三种方法——标高法（shm）、流体静力平衡法（hst）和动力学法（dyn）——从白光（WL）电子密度测量中推导日冕温度分布。动力学法（dyn）通过将膨胀速度作为自由参数求解流体动力学方程，能够提供更符合物理规律的温度分布，尤其在较高高度处表现更优，并可识别日冕加热最大的径向范围。

ABSTRACT

The most popular method for determining coronal temperatures is the scale-height-method (shm). It is based on electron density profiles inferred from White Light (WL) brightness measurements of the corona during solar eclipses. This method has been applied to several published coronal electron density models. The calculated temperature distributions reach a maximum at r > 1.3 RS, and therefore do not satisfy one of the conditions for applying the shm method. Another method is the hydrostatic equilibrium method (hst), which enables coronal temperature distributions to be determined, providing solutions to the hydrostatic equilibrium equation. The temperature maximas using the hst method are almost equal to those obtained using the shm method, but the temperature peak is always at significantly lower altitude when the hst-method is used than when the shm-method is used. A third and more recently developed method, dyn, can be used for the same published electron density profiles. The temperature distributions obtained using the dyn method are regular solutions of the hydrodynamic equations. They depend on the expansion velocity of the coronal plasma considered as a free input parameter in the calculations. At the base of the solar corona, where the coronal bulk velocity is small (subsonic), the dyn and hst methods give similar temperature values. Larger differences are found at higher altitudes where the expansion velocity approaches and exceeds the velocity of sound. This paper shows also the effects of the flow tube geometry and ion temperatures on the electron temperature distributions. The dyn method is a generalization of the hst method, where the electron temperature distribution tends to zero at infinite radial distances. It is a new diagnostic tool for determining from WL coronal observations the range of radial distances where the coronal heating rate is at its maximum.

研究动机与目标

• 评估并比较标高法（shm）、流体静力平衡法（hst）和动力学法（dyn）从白光电子密度分布推断日冕温度的方法。
• 解决标高法存在的物理不一致性问题，该方法在 r > 1.3 RS 处产生温度极大值，违反其基本假设。
• 证明基于流体动力学方程并以膨胀速度为输入参数的动力学（dyn）方法，可获得更符合实际的温度分布，尤其在高海拔区域表现更优。
• 研究流管几何形状和离子温度对电子温度分布的影响。
• 利用动力学法作为诊断工具，识别日冕加热率最大的径向范围。

提出的方法

• 将标高法（shm）应用于已发表的太阳日食观测中获得的白光（WL）电子密度分布数据。
• 使用流体静力平衡法（hst）求解流体静力平衡方程，在受力平衡假设下推导温度分布。
• 提出动力学（dyn）方法，通过将膨胀速度作为自由输入参数，求解包含质量、动量和能量守恒的完整流体动力学方程。
• 在不同径向距离上比较三种方法的温度分布，重点关注温度极大值的位置和大小。
• 在 dyn 方法中引入流管几何形状和离子温度对电子温度分布的影响。
• 利用 dyn 方法的渐近行为——温度在无限远径向距离趋于零——作为物理约束条件，以验证解的合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何标高法在 r > 1.3 RS 处产生温度极大值，违反其自身假设？
• RQ2 在使用相同电子密度数据时，流体静力平衡法（hst）与动力学法（dyn）在预测日冕温度分布方面有何异同？
• RQ3 等离子体膨胀速度对推导出的温度分布有何影响，尤其在高海拔区域？
• RQ4 流管几何形状和离子温度如何影响推断出的电子温度分布？
• RQ5 根据动力学法，日冕加热率在哪个径向距离达到峰值？

主要发现

• 标高法（shm）在 r > 1.3 RS 处产生温度极大值，违反了温度应低于标高处达到极大的条件，导致其物理上不一致。
• 流体静力平衡法（hst）得出的温度极大值位置显著低于 shm 方法，但仍未能考虑等离子体膨胀效应。
• 动力学（dyn）方法求解流体动力学方程得到的解具有规律性，其温度分布符合物理预期，尤其在高海拔区域，当膨胀速度接近或超过声速时表现更优。
• 在日冕底部（膨胀速度较低时），dyn 与 hst 方法得到的温度值相近，但随着径向距离增加，两者差异逐渐增大。
• dyn 方法预测电子温度在无限远径向距离趋于零，提供了合理的渐近物理边界条件。
• dyn 方法识别出日冕加热最大的径向范围，为利用白光观测研究日冕加热机制提供了新的诊断工具。