[论文解读] Extended Coronal Heating and Solar Wind Acceleration Over the Solar Cycle

Steven R. Cranmer, John L. Kohl+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2010

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文利用UVCS/SOHO观测数据与理论模型，研究了太阳周期中日冕加温和太阳风加速现象。结果表明，2007–2009年太阳活动极小期磁场减弱导致1 AU处太阳风密度降低20%，温度下降10–14%；基于阿尔芬波与MHD湍流机制的模型无需自由参数即可成功预测这些变化。

ABSTRACT

This paper reviews our growing understanding of the physics behind coronal heating (in open-field regions) and the acceleration of the solar wind. Many new insights have come from the last solar cycle's worth of observations and theoretical work. Measurements of the plasma properties in the extended corona, where the primary solar wind acceleration occurs, have been key to discriminating between competing theories. We describe how UVCS/SOHO measurements of coronal holes and streamers over the last 14 years have provided clues about the detailed kinetic processes that energize both fast and slow wind regions. We also present a brief survey of current ideas involving the coronal source regions of fast and slow wind streams, and how these change over the solar cycle. These source regions are discussed in the context of recent theoretical models (based on Alfven waves and MHD turbulence) that have begun to successfully predict both the heating and acceleration in fast and slow wind regions with essentially no free parameters. Some new results regarding these models - including a quantitative prediction of the lower density and temperature at 1 AU seen during the present solar minimum in comparison to the prior minimum - are also shown.

研究动机与目标

• 理解开放磁场区域日冕加热与太阳风加速的物理机制。
• 通过UVCS/SOHO提供的延伸日冕观测数据，解决理论模型与原位观测之间的差异。
• 对比1996–1997年与2007–2009年太阳活动极小期条件，检验模型对风属性的预测。
• 评估阿尔芬波与MHD湍流在加热与加速太阳风中的作用，且自由参数最少。
• 改进对日冕洞与亮带中不同离子种类等离子体参数（温度、密度、速度）的观测约束。

提出的方法

• 利用SOHO/UVCS对日冕洞与亮带长达14年的遥感观测数据，追踪延伸日冕（1.5–10 R☉）中等离子体的演化。
• 应用基于波湍流耗散（WTD）与共振线性激发（RLO）的理论模型，模拟太阳风的加热与加速过程。
• 将原位Ulysses数据与模型输出相结合，验证风速、密度与温度变化在太阳极小期的预测结果。
• 采用半经验与理论模型对太阳低层大气进行约束，以确定日冕加热过程的边界条件。
• 整合多离子种类的温度与密度测量数据（H I Lyα, O VI），评估电子与离子温度的解耦现象。
• 通过比较观测与模型的径向温度与密度分布曲线，量化两个太阳极小期之间等离子体参数的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 1996–1997年与2007–2009年太阳极小期的日冕加热与太阳风加速机制有何不同？
• RQ2 阿尔芬波与MHD湍流模型在无需自由参数的情况下，能在多大程度上预测观测到的太阳风密度与温度变化？
• RQ3 日冕洞形态与磁场强度在塑造延伸日冕与太阳风属性方面起什么作用？
• RQ4 日球层带纬向范围的变化如何影响太阳风源区与等离子体喷流？
• RQ5 需要何种观测约束才能区分无碰撞日冕等离子体中竞争性加热机制？

主要发现

• 2007–2009年太阳活动极小期的极区日冕洞面积比1996–1997年小15%，且光球平均磁场强度弱40%。
• 尽管日冕磁场较弱，1 AU处太阳风速度仅变化–3%（Ulysses数据）与+1%（模型输出），表明加速机制具有强鲁棒性。
• 从1996–1997年到2007–2009年，太阳风密度观测值下降17%，模型预测下降22%；温度观测值下降14%，模型预测下降8%。
• 气体压力与动压在观测与模型中均降低20–30%，与加热减弱及等离子体输入减少一致。
• 理论模型成功预测了2007–2009年极小期低日冕区域电子温度降低与密度略减小，与初步UVCS谱线趋势相符。
• UVCS数据表明2007–2009年H I Lyα强度较高，O VI强度较低，与电子温度与密度降低一致，但需完整谱线建模以确认。