太阳风中可压缩湍流的小尺度结构研究

The solar corona expansion drives the outflow of the solar wind. The solar wind thus bring the mass and the energy from the solar atmosphere to the heliosphere. The energy cascading and the final energy dissipation at the small scales of the solar wind turbulence support the solar wind heating and accelaration in the interplanetary space.Thus, the compressive turbulence is a key subject in the field of Heliophysics. However, because of the time resolution of the in situ measurements, seldom studies touched the small scale structures in the compressive turbulence that is in the vicinity of the ion scale, nor the physical mechanisms. This project is aimed to investigate the small scale structures to study the energy dissipation of the compressive turbulence at small scales. In order to obtain the statistical features and the propagating features of the small scale structures in the compressive turbulence of both the fast solar wind and slow solar wind, this work will apply correlation analysis of plasma thermal pressure and magnetic pressure,and electron density and magnetic field strength on the in situ measurements of single and multiple points in the space. Further, introducing the wavelet coherence analysis to reveal the generating mechnisms of the small scale structures,this work will investigate the energy dissipation in solar wind compressive turbulence at small scale. Above all, this work will start from the power spectrum analysis of several groups of parameters in the fast and the slow solar wind. As a result, this work will improve the understanding of the small scale structures in the compressive solar wind turbulence. Finally, from the investigation of the forming mechanisms of these small scale structures, this work will reveal the energy dissipation mechanisms of the solar wind compressive turbulence.

太阳风是太阳大气向行星际空间输出能量的主要载体，太阳风湍流的能量串级和最终在小尺度上的能量耗散产生了行星际空间中太阳风的加速和加热，因此太阳风湍流是行星际物理学中的重要前沿课题。然而以往由于测量精度所限，研究工作很少涉及太阳风可压缩湍流在离子回旋尺度附近的小尺度结构。本项目针对这一研究缺口，采用空间多点卫星测量数据，通过分析空间中单点和多点的等离子体热压和磁压、以及电子密度和磁场强度等多组物理量的相关性，预期获得太阳风高速流和低速流可压缩湍流中的小尺度结构特征及其传播性质等新结果。进一步地，通过引入小波互相关谱分析这一新方法系统地开展针对小尺度结构的物理成因分析。根据相应的成因，探讨太阳风可压缩湍流在小尺度的能量耗散机制。综上本项目旨在通过对太阳风高、低速流中多组参量的小波互相关谱的形态学分析，完善对太阳风可压缩湍流中的小尺度结构的认识，并通过探究其成因揭示太阳风可压缩湍流的能量耗散机制。

太阳风是太阳日冕气体受热膨胀而形成的由太阳向行星际空间不断输送的等离子体流，太阳风湍流中的能量将在离子回旋频率附近耗散从而加热和加速太阳风中的等离子体，因此太阳风湍流的能量耗散机制一直是行星际物理学中的前沿课题。太阳风中的压力平衡结构是指等离子体热压强与磁场压强呈现反相关变化且太阳风总压强稳定的结构。本项目实现了随背景磁场方向和时间尺度分布的小波互相关谱分析方法，将其应用于太阳风等离子体热压强和磁压强的时间序列，并根据等离子体热压强与磁压强呈反相关变化来判别压力平衡结构的存在，分析结果显示太阳风中的压力平衡结构随局地磁场方向的分布较为分散，不具有关于磁场方向的各向异性，并且随时间尺度的减小压力平衡结构覆盖的局地磁场与太阳风速度的夹角范围明显减小。进一步地，通过对质子三维热速度分布函数的插值获得质子温度的各向异性，并且根据磁场扰动、质子速度扰动和质子密度扰动计算得到可压缩系数和互螺度系数随时间的变化。分析结果证明这些呈分散、孤立存在的小尺度压力平衡结构可能由太阳风中的磁流体力学波驱动形成，其中当太阳风速度方向反平行于背景磁场时斜传慢磁声波可以产生小尺度压力平衡结构，当太阳风速度与背景磁场垂直时镜像模波动可形成小尺度压力平衡结构。本项目研究成果有助于揭示太阳风中可压缩湍流的物理本质，并有助于理解太阳风湍流在小尺度的能量耗散过程。