[论文解读] Heavy Coronal Ions in the Heliosphere: I. Global Distribution of Charge-states of C, N, O, Mg, Si and S

S. Grzȩdzielski, M. Wachowicz+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2008

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 39被引用 6

一句话总结

本研究模拟了太阳日冕中C、N、O、Mg、Si和S离子从太阳风到日球层顶及日球尾的电荷态演化，表明来自星际中性原子的电子俘获显著降低了其电荷态。关键结果是，单电荷离子在日球层顶附近聚集，产生约1 keV/nucleon的ENAs通量，这些通量可能作为拾取离子和异常宇宙射线的主要种子种群。

ABSTRACT

Aims: Investigate/Study de-charging of solar wind C, N, O, Mg, Si and S ions and assess fluxes of resulting ENA in the heliosphere. Methods: The model treats the heavy ions as test particles convected by (and in a particular case also diffusing through) a hydrodynamically calculated background plasma flow, from 1 AU to the termination shock (TS), to heliosheath (HS) and finally to heliospheric tail (HT). The ions undergo radiative and dielectronic recombinations, charge exchanges, photo- and electron impact ionizations with plasma particles, interstellar neutral atoms (calculated on a Monte-Carlo model) and solar photons. Results: Highly-charged heavy coronal ions flowing with the solar wind undergo successive de-ionizations, mainly in the heliosheath, leading to charge-states much lower than in the supersonic solar wind. If Coulomb scattering is the main ion energy loss mechanism, the end product of these deionizations are fluxes of ENA of ~1 keV/nucleon originating in the upwind heliosheath that for C, Mg, Si and S may constitute sources of pickup ions (PUI) significantly exceeding the interstellar supply. Conclusions: Discussed processes result in (i) distinct difference of ion charge q in the supersonic solar wind (approximately q >= +Z/2, Z = atomic number) compared to that in the HS (approximately 0 <= q <= +Z/2)), (ii) probable concentration of singly ionized atoms (q = +1) in the heliosheath towards the heliopause (HP) and in the HT, (iii) possible significant production of ENA in the HS offering natural explanation for production of PUI, and -- after acceleration at the TS -- anomalous cosmic rays (ACR) of species (like C, Mg, Si, S) unable to enter the heliospheric cavity from outside because of their total ionization in the local interstellar medium.

研究动机与目标

• 研究从1 AU到日球尾的重日冕离子（C、N、O、Mg、Si、S）的全局电荷态演化。
• 评估电荷交换、复合与电离过程在日球层顶及更远处重塑离子电荷态的作用。
• 评估通过日球层顶电荷交换产生的能量中性原子（ENAs）通量，及其作为拾取离子（PUI）种子种群的潜在作用。
• 探讨对异常宇宙射线（ACR）产生的影响，特别是对低FIP元素（无法以离子形式进入日球空间的元素）的影响。
• 区分离子能量与电荷态演化中“各向同性化”（库仑散射）与“热化”（集体等离子体效应）两种情形。

提出的方法

• 将重离子视为随1 AU至日球尾的流体动力学计算太阳风流场运动的示踪粒子。
• 使用一组微分方程（公式1）追踪离子电荷态的时间演化，其中包含辐射/双电子复合、光致电离、电子碰撞电离和电荷交换的速率。
• 从蒙特卡洛模拟中引入背景电浆参数（ne, np, vsw）以及星际中性H和He的密度与速度（nH, nHe, vH）。
• 主要考虑通过来自星际H和He中性原子的电子俘获实现电荷交换，该过程在日球层顶主导去电离过程。
• 分析两种极限情形：各向同性化（库仑散射保持离子能量，导致高碰撞率）与热化（通过等离子体波实现能量平衡）。
• 在各向同性化与热化两种条件下，生成太阳系内不同电荷态下离子密度分布的空间图。

实验结果

研究问题

• RQ1 重日冕离子的电荷态如何从超音速太阳风演化至日球层顶及日球尾？
• RQ2 与星际中性原子的电荷交换对日球层顶重离子去电离的贡献有多大？
• RQ3 在约1 keV/nucleon能量范围内的能量中性原子（ENAs）通量是否足够显著，可作为拾取离子（PUI）的种子种群？
• RQ4 假设离子各向同性化与热化如何影响特定电荷态的空间分布与丰度预测？
• RQ5 在外日球空间观测到的电荷态分布在多大程度上可解释C、Mg、Si和S等低FIP元素异常宇宙射线（ACR）的起源？

主要发现

• 超音速太阳风中的重离子具有高电荷态（q ≥ +Z/2），但在日球层顶其电荷态显著降低至较低水平（0 ≤ q ≤ +Z/2），表明存在显著的电荷态重排。
• 单电荷离子（q = +1）在日球层顶附近（尤其是迎风方向）聚集，这是由于来自星际中性原子的电子俘获效率较高。
• 在日球层顶，特别是迎风日球层顶区域，产生了能量约为1 keV/nucleon的ENAs，其通量可能被专用仪器探测到。
• 对于C、Mg、Si和S，日球层顶区域的ENAs通量可能超过星际中性原子的供应量，从而在外日球空间成为拾取离子（PUI）的主要来源。
• 该模型预测，各向同性化（库仑散射）对高碰撞率和强去电离至关重要；若此类效应未被观测到，则意味着能量通过等离子体波实现快速平衡。
• 在热化条件下，电荷态分布表现出渐变的空间偏移，特定电荷态形成高密度“岛屿”，而非尖锐过渡，表明存在不同的等离子体耦合机制。