[论文解读] Radial evolution of thermal and suprathermal electron populations in the slow solar wind from 0.13 to 0.5 au : Parker Solar Probe Observations

Joel B. Abraham, C. J. Owen+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2022

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 27被引用 38

一句话总结

本研究基于帕克太阳探测器在0.13至0.5 au的观测数据，分析了慢速太阳风中热电子（核心）、超热电子（晕和射束）群体的径向演化特征。通过一种新型的机器学习辅助拟合方法，研究发现晕群体在0.13至0.17 au之间显著增长，而射束群体并未相应减少，这一结果挑战了以往的模型，表明太阳附近晕群体的起源并非传统机制。

ABSTRACT

We develop and apply a bespoke fitting routine to a large volume of solar wind electron distribution data measured by Parker Solar Probe (PSP) over its first five orbits, covering radial distances from 0.13 to 0.5 au. We characterise the radial evolution of the electron core, halo and strahl populations in the slow solar wind during these orbits. The fractional densities of these three electron populations provide evidence for the growth of the combined suprathermal halo and strahl populations from 0.13 to 0.17 au. Moreover, the growth in the halo population is not matched by a decrease of the strahl population at these distances, as has been reported for previous observations at distances greater than 0.3 au. We also find that the halo is negligible at small heliocentric distances. The fractional strahl density remains relatively constant ~1 % below 0.2 au, suggesting that the rise in the relative halo density is not solely due to the transfer of strahl electrons into the halo.

研究动机与目标

• 研究在日心距离低于0.3 au的慢速太阳风中，核心、晕和射束电子群体的径向演化特征。
• 确定观测到的超热电子群体增长是否由射束向晕的粒子转移引起，或由其他机制导致。
• 通过检查电子速度分布函数（VDF）及其偏离情况，评估日球层外层太阳风模型在太阳附近的适用性。
• 识别晕与射束群体密度相等的交叉点，即电子群体动力学发生转变的临界点。
• 检查反射束方向核心群体缺失现象的存在及其径向演化特征，该现象可能与行星际静电势效应相关。

提出的方法

• 对帕克太阳探测器前五次轨道的SPAN-E电子速度分布函数（VDF）数据应用了定制化的拟合方法。
• 引入机器学习算法（Bakrania et al. 2020）以识别电子VDF中的断点，从而实现核心、晕和射束组分的精确分离。
• 采用麦克斯韦分布（核心）、双κ分布（晕）和磁场对齐束流模型（射束）联合拟合VDF，以量化各群体的密度和温度。
• 追踪从0.13至0.5 au范围内，三种电子群体的分数密度、温度和平均速度的径向演化。
• 通过统计分析评估核心和射束群体的各向同性与各向异性，特别关注平行方向的温度和速度。
• 量化核心VDF在反射束方向的缺失程度，并研究其随径向距离的变化，以检验外层太阳风模型的预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在慢速太阳风中，从0.13至0.5 au，核心、晕和射束电子群体的分数密度如何发生径向演化？
• RQ2 在0.25 au以下观测到的晕群体增长是否伴随着射束群体的减少，如某些模型所预测？
• RQ3 在太阳附近，射束平行温度和平均速度的径向行为如何？其是否保持日冕源区的条件？
• RQ4 核心VDF在反射束方向的缺失是否在小日心距离下依然存在？其随径向距离如何演化？
• RQ5 在何种径向距离上，晕群体的密度超过射束群体？这对电子分布演化意味着什么？

主要发现

• 在所有采样径向距离上，核心电子群体占总电子密度的90%以上，其径向密度分布符合r−2关系，证实了绝热膨胀过程。
• 相对晕密度从0.13 au附近的可忽略水平增长至0.22 au处的约10%，表明内日球层中超热电子群体显著增加。
• 在0.2 au以下，相对射束密度保持约1%的恒定水平，表明在此距离范围内，射束电子未发生净向晕群体的转移。
• 晕与射束交叉点（即晕与射束分数密度相等的点）出现在约0.22 au处，标志着电子群体主导地位的转变。
• 在晕与射束交叉点以下，反射束方向观察到核心群体存在明显缺失，表明其与行星际静电势效应一致的速度空间截断现象。
• 从0.13至0.5 au，射束平行温度和平均速度在误差范围内保持恒定，支持射束保留其日冕源区条件信息的观点。