Ионный состав железа в потоках солнечного ветра в короне Солнца и гелиосфере

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Анализ распределений ионов Fe по стадиям ионизации в плазме солнечного ветра (СВ) дает ценную информацию о формировании потоков СВ и процессах нагрева плазмы, а также для идентификации источников СВ на Солнце. При прохождении плазмы СВ через корону ее ионный состав эволюционирует и в конце концов “замораживается” на расстояниях порядка нескольких солнечных радиусов от поверхности Солнца, оставаясь далее практически неизменным в гелиосфере. Это дает возможность по зарядовому состоянию СВ получать информацию о физических условиях в его источнике и солнечной короне. Обычно используемый для характеристики распределений ионов Fe средний заряд QFe не учитывает всех особенностей эволюции ионного состава, что не позволяет извлекать более детальную информацию о состоянии плазмы СВ. В настоящей работе для описания зарядового состояния ионов Fe введены три параметра q4, q8 и q12, характеризующие относительные фракции ионов с зарядами Z = 0–7, 8–11 и 12–20, соответственно, и условно соответствующие “холодной”, “средней” и “горячей” компонентам плазмы СВ. По данным измерений ионного состава Fe в 2010 г. на КА STEREO-A приводятся характерные значения этих параметров для разных типов потоков СВ. Рассматривается задача моделирования ионных распределений в плазме СВ по данным диагностики параметров корональных источников. На примере события, связанного с корональным выбросом массы 18.VIII.2010, показано, что рассчитанные по модельным распределениям параметры зарядового состояния ионов Fe в пределах ошибок хорошо согласуются с данными измерений.

Об авторах

Ф. Ф. Горяев

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Email: goryaev_farid@mail.ru
Россия, Москва

В. А. Слемзин

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Email: goryaev_farid@mail.ru
Россия, Москва

Д. Г. Родькин

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Email: goryaev_farid@mail.ru
Россия, Москва

Ю. С. Шугай

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ
им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: goryaev_farid@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Gringauz K.I. The structure of the ionized gas envelope of Earth from direct measurements in the USSR of local charged particle concentrations // Planetary and Space Science. 1963. V. 11. P. 281–296. https://doi.org/10.1016/0032-0633(63)90030-8
  2. Snyder C.W., Neugebauer M. Interplanetary solar-wind measurements by Mariner II. Space Research Conference, 1964.
  3. Schwenn R. Large-Scale Structure of the Interplanetary Medium / Eds.: Schwenn R., Marsch E. // Physics of the Inner Heliosphere I, XI Berlin, Germany: Springer-Verlag, 1990. P. 99. https://doi.org/10.1007/978-3-642-75361-9_3
  4. McComas D.J., Barraclough B.L., Funsten H.O. et al. Solar wind observations over Ulysses’ first full polar orbit // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. P. 10419. https://doi.org/10.1029/1999JA000383
  5. McComas D.J., Goldstein R., Gosling J.T., Skoug R.M. Ulysses’ Second Orbit: Remarkably Different Solar Wind // Space Sci. Rev. 2001. V. 97. P. 99. https://doi.org/10.1023/A:1011826111330
  6. Wang Y.-M., Sheely N.R., Jr. Sources of the Solar Wind at Ulysses during 1990-2006 // Astrophys. J. 2006. V. 653. P. 708. https://doi.org/10.1086/508929
  7. von Steiger R., Schwadron N.A., Fisk L.A. et al. Composition of quasi-stationary solar wind flows from Ulysses/Solar Wind Ion Composition Spectrometer // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. P. 27217. https://doi.org/10.1029/1999JA000358
  8. Richardson I.G. Identification of Interplanetary Coronal Mass Ejections at Ulysses Using Multiple Solar Wind Signatures // Solar Phys. 2014. V. 289. P. 3843. https://doi.org/10.1007/s11207-014-0540-8
  9. Gloeckler G., Cain J., Ipavich F.M. et al. Investigation of the composition of solar and interstellar matter using solar wind and pickup ion measurements with SWICS and SWIMS on the ACE spacecraft // Space Sci. Rev. 1998. V. 86. P. 497. https://doi.org/10.1023/A:1005036131689
  10. Galvin A.B., Kistler L.M., Popecki M.A. et al. The Plasma and Suprathermal Ion Composition (PLASTIC) Investigation on the STEREO Observatories // Space Sci. Rev. 2008. V. 136. P. 437. https://doi.org/10.1007/s11214-007-9296-x
  11. Perrone D., Bruno R., D’Amicis R. et al. Coherent Events at Ion Scales in the Inner Heliosphere: Parker Solar Probe Observations during the First Encounter // Astrophysical Journal. 2020. V. 905:142. https://doi.org/10.3847/1538-4357/abc480
  12. Mason G.M., Ho G.C., Allen R.C. et al. Quiet-time low energy ion spectra observed on Solar Orbiter during solar minimum // Astronomy & Astrophysics. 2021. V. 656. Article id. L5. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202140540
  13. Hundhausen A.J., Gilbert H.E., Bame S.J. Ionization state of the interplanetary plasma // J. Geophys. Res. 1968. V. 73. P. 5485. https://doi.org/10.1029/JA073i017p05485
  14. Owocki S.P., Holzer T.E., Hundhausen A.J. The solar wind ionization state as a coronal temperature diagnostic // Astrophysical J. 1983. V. 275. P. 354–366. https://doi.org/10.1086/161538
  15. Zurbuchen T.H., Richardson I.G. In-situ solar wind magnetic field signatures of interplanetary coronal mass ejections // Space Science Reviews. 2006. V. 123. P. 31–43. https://doi.org/10.1007/s11214-006-9010-4
  16. Landi E., Gruesbeck J.R., Lepri S.T. et al. Charge State Evolution in the Solar Wind. II. Plasma Charge State Composition in the Inner Corona and Accelerating Fast Solar Wind // Astrophysical J. 2012. V. 761. Is. 1. Article id. 48. https://doi.org/10.1088/0004-637X/761/1/48
  17. Landi E., Gruesbeck J.R., Lepri S.T. et al. Charge State Evolution in the Solar Wind. Radiative Losses in Fast Solar Wind Plasmas // Astrophysical J. 2012. V. 758. Is. 1. Article id. L21. https://doi.org/10.1088/2041-8205/758/1/L21
  18. Landi E., Gruesbeck J.R., Lepri S.T., Zurbuchen T.H. New Solar Wind Diagnostic Using Both in Situ and Spectroscopic Measurements // Astrophysical J. 2012. V. 750. Is. 2. Article id. 159. https://doi.org/10.1088/0004-637X/750/2/159
  19. Landi E., Alexander R.L., Gruesbeck J.R. et al. Carbon Ionization Stages as a Diagnostic of the Solar Wind // Astrophysical J. 2012. V. 744. № 2. Article id. 100. https://doi.org/10.1088/0004-637X/744/2/100
  20. Gruesbeck J.R., Lepri S.T., Zurbuchen T.H., Antiochos S.K. Constraints on Coronal Mass Ejection Evolution from in Situ Observations of Ionic Charge States // Astrophysical J. 2011. V. 730. № 2. Article id. 103. https://doi.org/10.1088/0004-637X/730/2/103
  21. Lepri S.T., Laming J.M., Rakowski C.E., von Steiger R. Spatially Dependent Heating and Ionization in an ICM-E Observed by Both ACE and Ulysses // Astrophysical J. V. 760. Is. 2. Article id. 105. https://doi.org/10.1088/0004-637X/760/2/105
  22. Rodkin D., Goryaev F., Pagano P. et al. Origin and Ion Charge State Evolution of Solar Wind Transients during 4–7 August 2011 // Solar Physics. 2017. V. 292. № 7. Article id. 90. https://doi.org/10.1007/s11207-017-1109-0
  23. Grechnev V.V., Kochanov A.A., Uralov A.M. et al. Development of a Fast CME and Properties of a Related Interplanetary Transient // Solar Physics. 2019. V. 294. Article id. 139. https://doi.org/10.1007/s11207-019-1529-0
  24. Slemzin V., Goryaev F., Rodkin D. Formation of Coronal Mass Ejection and Posteruption Flow of Solar Wind on 2010 August 18 Event // Astrophysical J. 2022. V. 929. Id. 146. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac5901
  25. Goryaev F., Slemzin V., Rodkin D. Identification of Hot Plasma Anomalies in Solar Wind Using Fe Ion Charge Distributions // Astrophysical J. Lett. 2020. V. 905. Is. 2. Article id. L17. https://doi.org/10.3847/2041-8213/abcc76
  26. Lopez R.E. Solar cycle invariance in solar wind proton temperature relationships // J. Geophys. Res. 1987. V. 92. P. 11189–11194. https://doi.org/10.1029/JA092iA10p11189
  27. Richardson I.G., Cane H.V. Identification of interplanetary coronal mass ejections at 1 AU using multiple solar wind plasma composition anomalies // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. A09104. https://doi.org/10.1029/2004JA010598
  28. Ko Y.-K., Fisk L.A., Geiss J. et al. An empirical study of the electron temperature and heavy ion velocities in the south polar coronal hole // Solar Physics. 1997. V. 171. P. 345–361. https://doi.org/10.1023/A:1004943213433
  29. Hannah I.G., Kontar E.P. Differential emission measures from the regularized inversion of Hinode and SDO data // Astronomy&Astrophysics. 2012. V. 539. Article id. A146. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201117576
  30. Plowman J., Kankelborg C., Martens P. Fast Differential Emission Measure Inversion of Solar Coronal Data // Astrophysical J. 2013. V. 771. № 1. Article id. 2. https://doi.org/10.1088/0004-637X/771/1/2
  31. Plowman J., Caspi A. A Fast, Simple, Robust Algorithm for Coronal Temperature Reconstruction // Astrophysical J. 2020. V. 905. № 1. Article id. 17. https://doi.org/10.3847/1538-4357/abc260
  32. Aschwanden M.J., Boerner P., Caspi A. et al. Benchmark Test of Differential Emission Measure Codes and Multi-thermal Energies in Solar Active Regions // Solar Physics. 2015. V. 290. P. 2733–2763. https://doi.org/10.1007/s11207-015-0790-0
  33. Cheng X., Zhang J., Saar S.H. et al. Differential Emission Measure Analysis of Multiple Structural Components of Coronal Mass Ejections in the Inner Corona // Astrophysical J. 2012. V. 761. № 1. Article id. 62. https://doi.org/10.1088/0004-637X/761/1/62
  34. Saqri J., Veronig A.M., Heinemann S.G. et al. Differential Emission Measure Plasma Diagnostics of a Long-Lived Coronal Hole // Solar Physics. 2020. V. 295. № 1. Article id. 6. https://doi.org/10.1007/s11207-019-1570-z
  35. Lynch B.J., Reinard A.A., Mulligan T. et al. Ionic Composition Structure of Coronal Mass Ejections in Axisymmetric Magnetohydrodynamic Models // Astrophysical J. 2011. V. 740. № 2. Article id. 112. https://doi.org/10.1088/0004-637X/740/2/112

Дополнительные файлы


© Ф.Ф. Горяев, В.А. Слемзин, Д.Г. Родькин, Ю.С. Шугай, 2023