Ion Heating by Turbulence in the Solar Wind

太阳风中的湍流加热离子

基本信息

  • 批准号:
    1743227
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Studentship
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2016 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The solar wind is supersonic plasma ejected by the Sun. It fills the solar system and pushes against the Earth's magnetosphere causing geomagnetic storms. The solar wind is very variable, its speed changes from 275 km/s up to an even more staggering 800 km/s. Carried along in the plasma flow is the solar magnetic field. On large scales (many thousands of Earth radii) the plasma and magnetic field move together, acting as a magnetofluid. This magnetofluid is turbulent and the changes in velocity and magnetic field drive a continual cascade of energy from these large scales to smaller scales. The turbulence is a chaotic, stochastic process that alters the characteristics of the plasma fluctuations. It is these fluctuations through which cosmic rays and solar flare particles travel and that modify the direction and speed of other solar ejecta. The solar wind is an 'astrophysical laboratory'; the vast majority of the Universe is full of turbulent plasma and observing the solar wind with spacecraft can give us insight into the processes going on throughout the Universe. The turbulent cascade transports energy from the large scales to smaller scales and eventually to such small scales that the plasma no longer behaves like a fluid. Instead we must consider the collective particle dynamics that characterise kinetic motions of plasma. At this point the magnetic field can interact with the particle distribution and heat it directly, either through resonant interactions or through stochastic 'jumps'.There are now very long and very high quality data sets that can be used to study plasma turbulence and new missions launching soon that will provide unparalleled observations to test theories and develop new ideas about the dynamics of the solar wind. These data can be used to examine a large number of open questions relating to solar wind turbulence. In this project the student will use magnetic field and plasma data from the Wind, ACE and Cluster missions to investigate how the turbulent cascade dissipates into heat at small scales. Wavelet techniques will be used to measure the magnetic helicity, coherency and stochasticity of fluctuations that are at scales that interact with protons and alpha particles to determine through correlation with proton and alpha particle distribution data the most prevalent, and most effective heating mechanisms in the solar wind (these may not be the same). The same data can be used to investigate why alpha particles are hotter than protons in the solar wind? The final conclusion of the work will be a quantified statement about what is more important for energy dissipation in solar wind plasma turbulence: non-linear stochastic heating or resonant wave-particle interactions?
太阳风是太阳喷射出的超音速等离子体。它充满了太阳系并推动地球磁层,导致地磁风暴。太阳风变化很大,其速度从 275 公里/秒到更惊人的 800 公里/秒不等。等离子体流中携带的是太阳磁场。在大尺度(数千个地球半径)上,等离子体和磁场一起移动,充当磁流体。这种磁流体是湍流的,速度和磁场的变化驱动能量从这些大尺度到更小的尺度的连续级联。湍流是一种混沌、随机的过程,会改变等离子体波动的特征。宇宙射线和太阳耀斑粒子正是通过这些波动传播,并改变其他太阳喷射物的方向和速度。太阳风是一个“天体物理实验室”;宇宙的绝大多数区域都充满了湍流等离子体,用航天器观察太阳风可以让我们深入了解整个宇宙正在发生的过程。湍流级联将能量从大尺度传输到较小尺度,并最终传输到如此小的尺度,以致等离子体不再表现得像流体。相反,我们必须考虑表征等离子体运动的集体粒子动力学。此时,磁场可以通过共振相互作用或通过随机“跳跃”与粒子分布相互作用并直接加热它。现在有非常长且非常高质量的数据集可用于研究等离子体湍流,并且即将启动的新任务将提供无与伦比的观测结果来测试理论并开发有关太阳风动力学的新想法。这些数据可用于检查大量与太阳风湍流相关的开放性问题。在这个项目中,学生将使用来自 Wind、ACE 和 Cluster 任务的磁场和等离子体数据来研究湍流级联如何在小范围内消散成热量。小波技术将用于测量与质子和阿尔法粒子相互作用的尺度上的磁螺旋性、相干性和随机性波动,以便通过与质子和阿尔法粒子分布数据的相关性来确定太阳风中最普遍、最有效的加热机制(这些机制可能不相同)。同样的数据可以用来研究为什么太阳风中的α粒子比质子更热?这项工作的最终结论将是关于太阳风等离子体湍流中能量耗散更重要的量化陈述:非线性随机加热还是共振波粒相互作用?

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
The Role of Proton Cyclotron Resonance as a Dissipation Mechanism in Solar Wind Turbulence: A Statistical Study at Ion-kinetic Scales
  • DOI:
    10.3847/1538-4357/aab03d
  • 发表时间:
    2018-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Lloyd D. Woodham;R. Wicks;D. Verscharen;C. Owen
  • 通讯作者:
    Lloyd D. Woodham;R. Wicks;D. Verscharen;C. Owen
Parallel-propagating Fluctuations at Proton-kinetic Scales in the Solar Wind Are Dominated By Kinetic Instabilities
  • DOI:
    10.3847/2041-8213/ab4adc
  • 发表时间:
    2019-05
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Lloyd D. Woodham;R. Wicks;D. Verscharen;C. Owen;B. Maruca;B. Alterman
  • 通讯作者:
    Lloyd D. Woodham;R. Wicks;D. Verscharen;C. Owen;B. Maruca;B. Alterman
Characterising solar wind fluctuations at ion-kinetic scales
在离子动力学尺度上表征太阳风波动
  • DOI:
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Woodham Lloyd David
  • 通讯作者:
    Woodham Lloyd David
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知道了