[论文解读] Testing the Alfv\'en-wave model of the solar wind with interplanetary scintillation

Munehito Shoda, Kazumasa Iwai+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2022

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 111被引用 3

一句话总结

本研究利用行星际闪烁（IPS）观测数据检验了由阿尔芬波驱动的（WTD）太阳风加速模型。通过采用包含阿尔芬波加热的自洽MHD模型，沿开放磁力线模拟太阳风速度，作者发现在太阳活动极小期和极大期的高纬度区域，模拟结果与观测结果高度一致，支持WTD模型。在中纬度区域，一致性下降，可能由于磁场外推方法或WTD模型本身的局限性。

ABSTRACT

Understanding the mechanism(s) of the solar wind acceleration is important in astrophysics and geophysics. A promising model of the solar wind acceleration is known as the wave/turbulence-driven (WTD) model, in which Alfv\'en waves feed energy to the solar wind. In this study, we tested the WTD model with global measurement of wind speed from interplanetary scintillation (IPS) observations. For Carrington rotations in minimal and maximal activity phases, we selected field lines calculated by the potential-field source-surface method in high- and mid-latitudes and compared the simulated and observed wind velocities. The simulation was performed in a self-consistent manner by solving the magnetohydrodynamic equations from the photosphere to the solar wind. In high-latitude regions, the simulated solar wind velocity agrees better with the IPS observation than with the classical Wang--Sheeley empirical estimation, both in maximal and minimal activity phases. In mid-latitude regions, the agreement worsens, possibly because of the inaccuracy of the WTD model and/or the magnetic-field extrapolation. Our results indicate that the high-latitude solar wind is likely to be driven by waves and turbulence, and that the physics-based prediction of the solar wind velocity is highly feasible with an improved magnetic-field extrapolation.

研究动机与目标

• 利用全球IPS观测数据评估阿尔芬波驱动（WTD）的太阳风加速模型。
• 评估基于物理的太阳风模拟在再现观测风速方面的准确性。
• 研究波/湍流加热在高纬度和中纬度太阳风加速中的作用。
• 考察日冕磁场假设对太阳风速度预测的影响。

提出的方法

• 使用势场源面（PFSS）外推法，从光球层磁场数据推导出开放磁力线。
• 在从光球层到太阳风的单条磁通管上执行一维MHD模拟，以阿尔芬波加热作为加速机制。
• 将模拟的太阳风速度与太阳活动极小期和极大期的Carrington旋转周期的全球IPS观测结果进行比较。
• 对日冕磁场剖面开展参数调查，以评估风速预测中的不确定性。
• 使用磁场、离子β和速度的时间平均径向剖面，评估模型的鲁棒性。
• 通过与经验性Wang-Sheeley估计值和IPS测量结果对比，验证模型性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 阿尔芬波驱动模型能否在高纬度区域准确预测观测到的太阳风速度？
• RQ2 在中纬度区域，WTD模型的性能与Wang-Sheeley等经验模型相比如何？
• RQ3 日冕磁场剖面的不确定性在多大程度上影响预测的太阳风速度？
• RQ4 磁场外推误差对模拟与观测一致性的影响如何？
• RQ5 基于物理的MHD模拟结合波加热能否实现可靠的太阳风预报？

主要发现

• 在高纬度区域，WTD模型的模拟太阳风速度在太阳活动极小期和极大期均比经典Wang-Sheeley经验模型更接近IPS观测结果。
• 高纬度区域的模拟风速与观测结果一致，支持波/湍流加热驱动太阳风的假设。
• 在中纬度区域，模拟与IPS观测的一致性下降，表明WTD模型或PFSS磁场外推方法存在局限性。
• 日冕磁场剖面对最终太阳风速度的影响较弱，不同假设剖面下的预测风速仅变化±80 km s⁻¹。
• 然而，质量损失率更为敏感，其不确定性最高可达50%，具体取决于日冕磁场的假设。
• 结果表明，通过改进磁场外推方法，特别是高纬度冕洞区域，基于物理的太阳风预测是可行的。