行星际太阳风质子平行加热和垂直加热的观测研究

The expansion of solar wind protons in the heliosphere is non-adiabatic, with some extra heating involved. However, the physical process of heating remains unknown, and becomes a puzzle of the space physics. An intensive debate on which mechanism is dominant, the heating due to wave-particle interaction or due to coherent structure dissipation, was launched and is going on among the community. The reasons why the problem remains unsolved lie in the following aspects: lack of wave mode diagnosis, unable to distinguish the large-amplitude waves and intermittent structures, absence of proton velocity distribution with high time cadence, unable to combine the analysis of wave/structure and proton kinetics behavior, and so on. Recently, we have made some progresses in diagnosis of wave modes, statistical classification of intermittent structures, and investigation of the highly dynamic proton phase space function. Based on these research studies, we plan to conduct the following studies in this project: (1) to effectively distinguish the waves and structures in both the inertial and damping regimes of turbulence; (2) to systematically research the proton kinetic behavior in association with the waves of different types and different amplitudes; (3) to intensively study the parallel and perpendicular heating signatures around the intermittent structures of different kinds and different topologies. A relatively comprehensive scenario about the solar wind proton heating in the interplanetary turbulence will thereby be proposed. The results of this project is supposed to be helpful in solving the puzzle and debate by providing crucial observational evidences and constraints.

太阳风质子在日球层中膨胀的非绝热加热过程一直不清楚，成为空间物理学的一个难题，并且围绕这个问题引起了关于波动散射和结构能量耗散两类加热机制谁占主导的热议。对这个问题认识困难的历史原因在于：缺乏有效的波模诊断方法、没有很好的区分大振幅波动和间歇结构、缺乏高时间分辨率的质子速度分布、无法综合分析波动/结构特征和粒子动力学行为。近期我们在动力学波模诊断、间歇结构统计分类、高动态的质子速度相空间密度函数等方面取得了相应的研究进展。我们计划在本项目中进行如下三方面的研究：（1）有效区分惯性区、耗散区湍流中的波动和结构；（2）系统研究湍流中不同类型、不同振幅的波动所伴随的质子动力学行为；（3）深入剖析不同类型、不同拓扑形态间歇结构所对应的质子平行加热和垂直加热现象。综合上述的研究，提出太阳风质子在行星际湍流中加热的较完整的图像，从而为行星际太阳风加热机制这一难题和争议的解决提供至关重要的参考依据。

项目组针对计划书所提的三个研究目标（即（1）区分惯性区、耗散区湍流中的波动和结构；（2）研究湍流中不同类型、不同振幅的波动所伴随的质子动力学行为；（3）剖析不同类型、不同拓扑形态间歇结构所对应的质子平行加热和垂直加热现象）开展了系统的研究工作。所取得研究成果陈述如下：（1）从湍动中有效的区分间歇结构和波动，发现间歇结构去除后，多阶结构函数的各向异性变得不明显了，说明间歇结构也是各向异性的，其垂直尺度小于平行尺度。通过层析反演得到Elasasser变量的功率谱在二维波矢空间中的分布，揭示：主变量对应倾斜外传的阿尔芬扰动，而次变量则是低频的准垂直扰动或结构。建立三维磁流体力学模型，成功模拟多尺度压力平衡结构在带阿尔芬波动性的可压缩湍流中的形成过程。针对动力学尺度（从离子尺度到亚电子尺度）湍动，提出宽频段的波模分解方法，发现从离子尺度到亚电子尺度的波模是多元的：依次是动力学阿尔芬波、准平行传播的哨声波、和离子声波。（2）建立日冕准周期可压缩波动+间歇束流的动力学模型，解释日冕光谱成像观测到的辐射扰动传播的现象，为“光谱轮廓的红-蓝不对称性与多普勒速度存在1/4周期的相位差”给出了理论上的解释。提出了能量转换率谱在波数空间的计算公式，并将其应用到空间等离子体湍动的耗散诊断中，首次观测给出了离子回旋波的耗散率谱的轮廓，而且比较了平行和垂直的耗散率谱，发现垂直耗散率谱占主导，说明湍动能量耗散主要用来垂直加热等离子体。（3）建立了一个统一定量描述太阳风湍动惯性区和耗散区的间歇特征的模型，为惯性区的多分形和耗散区的单分形找到了原因和解释。观测揭示太阳风磁重联出流区的两步能量转换机制：（a）平行加热太阳风质子和电子；（b）激发阿尔芬波、增强阿尔芬湍动。本项目针对研究问题，在理论建模、资料分析方法、数值模拟方面均有所建树和创新，发表第一作者/通讯作者SCI论文19篇，两次被期刊杂志推荐为“研究亮点”成果。