[论文解读] Whistler instability driven by the sunward electron deficit in the solar wind

Laura Berčič, Daniel Verscharen+19 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 70被引用 25

一句话总结

本研究通过太阳神号探测器观测到的核心电子分布中太阳风方向电子缺失，揭示了一种驱动准平行兰姆波的新机制。不稳定性源于兰姆波与反向传播电子之间的回旋共振，波的增长直接与速度空间缺失相关，最终通过准线性扩散降低电子热通量。

ABSTRACT

Solar wind electrons play an important role in the energy balance of the solar wind acceleration by carrying energy into interplanetary space in the form of electron heat flux. The heat flux is stored in the complex electron velocity distribution functions (VDFs) shaped by expansion, Coulomb collisions, and field-particle interactions. We investigate how the suprathermal electron deficit in the anti-strahl direction, which was recently discovered in the near-Sun solar wind, drives a kinetic instability and creates whistler waves with wave vectors that are quasi-parallel to the direction of the background magnetic field. We combine high-cadence measurements of electron pitch-angle distribution functions and electromagnetic waves provided by Solar Orbiter during its first orbit. Our case study is based on a burst-mode data interval from the Electrostatic Analyser System (SWA-EAS) at a distance of 112 $R_S$ (0.52 au) from the Sun, during which several whistler wave packets were detected by Solar Orbiter's Radio and Plasma Waves (RPW) instrument. The sunward deficit creates kinetic conditions under which the quasi-parallel whistler wave is driven unstable. We directly test our predictions for the existence of these waves through solar wind observations. We find whistler waves that are quasi-parallel and almost circularly polarised, propagating away from the Sun, coinciding with a pronounced sunward deficit in the electron VDF. The cyclotron-resonance condition is fulfilled for electrons moving in the direction opposite to the direction of wave propagation, with energies corresponding to those associated with the sunward deficit.

研究动机与目标

• 利用高时间分辨率原位测量，研究太阳风中准平行兰姆波的起源。
• 解释最近发现的太阳风方向电子缺失在驱动磁流体力学不稳定性中的作用。
• 建立太阳风方向电子缺失与准平行波矢方向兰姆波激发之间的因果关系。
• 确定该不稳定性如何影响太阳风中的电子热通量和能量再分布。
• 检验在观测条件下回旋共振条件在共振波-粒子相互作用中的有效性。

提出的方法

• 利用太阳神号探测器第一圈轨道期间的高时间分辨率电子速度分布函数（VDFs），来自太阳神号静电分析仪系统（SWA-EAS）。
• 分析射电与等离子体波（RPW）仪器的电磁波数据，识别准平行兰姆波群包。
• 将波相速度和传播方向映射到波静止参考系中的电子VDF。
• 应用回旋共振条件，识别与波传播方向相反运动的共振电子。
• 在波参考系中计算归一化的投射角梯度，以评估准线性扩散的方向。
• 通过确认共振电子速度与太阳风方向缺失区域一致，验证了不稳定性机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 核心分布中的太阳风方向电子缺失是否能驱动一种磁流体力学不稳定性，从而产生准平行兰姆波？
• RQ2 在观测波特性下，缺失区域中的电子是否满足回旋共振条件？
• RQ3 观测到的波特性（偏振、传播方向、波矢）是否与预测的不稳定性机制一致？
• RQ4 准线性扩散在弛豫电子缺失和降低电子热通量中起什么作用？
• RQ5 太阳风方向缺失的存在如何影响太阳风中的整体能量平衡？

主要发现

• 观测到准平行、近乎圆偏振的兰姆波反向太阳传播，与核心分布中显著的太阳风方向电子缺失同时发生。
• 在对应于太阳风方向缺失的速度空间区域，回旋共振条件得到满足，证实了电子与波之间的共振相互作用。
• 在缺失区域测得负的投射角梯度，表明准线性扩散的方向将填补该缺失。
• 由太阳风方向缺失驱动的不稳定性直接生成了观测到的兰姆波，为太阳风中波激发提供了一种新机制。
• 共振电子的准线性扩散倾向于填补缺失，导致太阳风携带的总电子热通量净减少。
• 观测到的波特性与电子VDF结构与一种情景一致：太阳风方向缺失作为准平行兰姆波的来源，对太阳风加热和能量传输具有重要意义。