AGS-PRF: The Effects of Nonlinearities on the Onset and Evolution of Microinstabilities in Solar Plasma

AGS-PRF:非线性对太阳等离子体微观不稳定性发生和演化的影响

基本信息

  • 批准号:
    1949802
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 19万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Fellowship Award
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-02-15 至 2023-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The postdoctoral study in geospace science is a combination of analytical, computational, and observational work to be conducted under the supervision of Prof. Kristopher Klein at the University of Arizona. The project addresses open questions in solar physics about how the solar wind is energized, and in general, about how astrophysical plasmas are heated due to particle interactions with magnetic fields. This work is important as the vast majority of visible mass in the universe is expected to be in the plasma state, in which atoms are broken up into electrons and ions that are strongly influenced by magnetic and electric fields. The study is particularly timely to interpret forthcoming observations from the Parker Solar Probe. In addition to doing cutting-edge research, the principal investigator (PI) will also mentor a summer student’s research project and develop an undergraduate educational module on space physics, which will contribute toward her professional development.Microinstabilities are known to play a large role in the energy transfer and evolution of astrophysical plasmas including the solar wind. Most descriptions of the evolution and onset of microinstabilities only include linear terms, ignoring nonlinear effects. However, the onset and evolution of many of these instabilities is highly dependent on non-thermal features of the particle velocity distribution function, in particular, regions of trapped particles in finite amplitude magnetic fields. The primary questions to be investigated in this postdoctoral study are (i) the extent to which nonlinear effects, such as trapped and passing particles, affect the onset and evolution of microinstabilities in the solar plasma, and (ii) the parameter regimes where the nonlinearities need to be taken into account. The project will develop an analytical model for the evolution and onset of the instabilities, drawing on quasilinear theory and the PI’s thesis work on trapped and passing particles. The analytical model will be validated using kinetic simulations in conjunction with a statistical analysis of fluctuations observed in the solar wind.The principal investigator will mentor an REU student’s research project at the University of Arizona and develop an educational module to introduce undergraduates to current research questions in space science and plasma physics. This module will be made available to the scientific as well as education community.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
地球空间科学的博士后研究是在亚利桑那大学Kristopher Klein教授的指导下进行的分析、计算和观测工作的组合。该项目解决了太阳物理学中的悬而未决的问题,即太阳风是如何被激发的,以及一般而言,由于粒子与磁场的相互作用,天体物理等离子体是如何被加热的。这项工作很重要,因为宇宙中绝大多数可见质量预计将处于等离子体状态,在等离子体状态下,原子被分解成电子和离子,这些电子和离子受到磁场和电场的强烈影响。这项研究特别及时地解释了帕克太阳探测器即将进行的观测。除了从事尖端研究外,首席研究员(PI)还将指导一个暑期学生的研究项目,并开发一个关于空间物理的本科教育模块,这将有助于她的专业发展。众所周知,微不稳定性在包括太阳风在内的天体物理等离子体的能量转移和演化中发挥着重要作用。大多数对微不稳定演化和开始的描述只包括线性项,而忽略了非线性效应。然而,其中许多不稳定性的发生和演化高度依赖于粒子速度分布函数的非热特征,特别是有限幅值磁场中捕获粒子的区域。在这项博士后研究中要研究的主要问题是:(I)捕获和通过粒子等非线性效应对太阳等离子体中微不稳定的开始和演化的影响程度,以及(Ii)需要考虑非线性的参数制度。该项目将利用准线性理论和PI关于捕获和通过粒子的论文工作,开发一个分析模型来描述不稳定性的演化和开始。分析模型将通过动力学模拟和对太阳风中观测到的波动的统计分析来验证。首席研究员将指导亚利桑那大学的一名REU学生的研究项目,并开发一个教育模块,向本科生介绍当前空间科学和等离子体物理的研究问题。这一模块将提供给科学界和教育界。这一奖项反映了NSF的法定使命,并通过使用基金会的智力优势和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Strong Perpendicular Velocity-space Diffusion in Proton Beams Observed by Parker Solar Probe
帕克太阳探测器观测到质子束中的强垂直速度空间扩散
  • DOI:
    10.3847/1538-4357/ac36d5
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Verniero, J. L.;Chandran, B. D.;Larson, D. E.;Paulson, K.;Alterman, B. L.;Badman, S.;Bale, S. D.;Bonnell, J. W.;Bowen, T. A.;de Wit, T. Dudok
  • 通讯作者:
    de Wit, T. Dudok
Parallel velocity mixing yielding enhanced electron heating during magnetic pumping
平行速度混合在磁力泵浦过程中产生增强的电子加热
  • DOI:
    10.1017/s0022377821000088
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Egedal, J.;Schroeder, J.;Lichko, E.
  • 通讯作者:
    Lichko, E.
Inferred Linear Stability of Parker Solar Probe Observations Using One- and Two-component Proton Distributions
  • DOI:
    10.3847/1538-4357/abd7a0
  • 发表时间:
    2021-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    K. Klein;J. Verniero;B. Alterman;S. Bale;A. Case;J. Kasper;K. Korreck;D. Larson;E. Lichko;R. Livi;M. McManus;M. Martinović;A. Rahmati;M. Stevens;P. Whittlesey
  • 通讯作者:
    K. Klein;J. Verniero;B. Alterman;S. Bale;A. Case;J. Kasper;K. Korreck;D. Larson;E. Lichko;R. Livi;M. McManus;M. Martinović;A. Rahmati;M. Stevens;P. Whittlesey
Parker Solar Probe Enters the Magnetically Dominated Solar Corona
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.127.255101
  • 发表时间:
    2021-12-14
  • 期刊:
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    Kasper, J. C.;Klein, K. G.;Zank, G. P.
  • 通讯作者:
    Zank, G. P.
The fast transit-time limit of magnetic pumping with trapped electrons
俘获电子磁泵浦的快速渡越时间极限
  • DOI:
    10.1017/s0022377821001173
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Egedal, J.;Lichko, E.
  • 通讯作者:
    Lichko, E.
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