Large-scale solar wind properties by Parker Solar Probe and shock-foreshock interaction near the Earth
Propriétés du vent solaire à grande échelle par Parker Solar Probe et interaction entre le choc et le pré-choc terrestre
Résumé
Heat transport in the solar corona and wind, which is not completely understood, plays a key role in corona heating and wind acceleration. Due to their small mass compared to ions, electrons dominate the thermally driven solar wind expansion. To derive their properties, the Quasi-thermal noise (QTN) technique is a reliable tool: it yields accurate measurements of the electron parameters in the solar wind especially the total electron density without any calibration. The QTN technique thus provides routine cross-checking for traditional particle detectors. The ongoing pioneering Parker Solar Probe (PSP), whose heliocentric distances of orbit perihelia decrease from 35.7 solar radii (Rs) to 9.86 Rs within five years, offers an opportunity to examine the solar wind properties closer to the Sun than previously detected.First, based on electron parameters obtained from the simplified QTN technique and the bulk proton parameters by Faraday Cups, we investigate the solar wind energy flux as close to the Sun as 27.8 Rs. We obtain that the averaged energy flux value is similar to the previous results based on long-term observations at greater distances and various latitudes, which confirms that this quantity appears as a global solar constant. Furthermore, the normalized energy flux distributions are nearly symmetrical and well fitted by Gaussians, implying the limited interactions between the solar wind and transient plasma structures in the inner heliosphere.Then, we examine the radial evolution of the total electron temperature (Te), derived from the QTN technique using the high-frequency part of the radio spectrum, with the heliocentric distance varying from about 13 to 60 Rs. We obtain that Te decreases with the distance as ~R^{-0.66}, which is much slower than an adiabatic behavior. The extrapolated Te is consistent with the exospheric solar wind model prediction at around 10 Rs, Helios observations at 0.3 AU, and Wind observations at 1 AU, respectively. Furthermore, when the solar wind is slower (or in flux tube with larger mass flux), the radial Te profiles are steeper. More pronounced anticorrelated (Vp, Te) is observed when the solar wind is slower and closer to the Sun. As a byproduct, we derive a database of spectra affected by bursty Langmuir waves and/or electromagnetic emissions, which will be useful for further analysis and routine full fit on the QTN spectra.In addition to the solar wind properties, we study a supercritical quasi-perpendicular interplanetary (IP) shock interacting with the terrestrial foreshock via Wind observations. Some new features of wave activities and particle dynamics, resulting from the shock-foreshock interaction, are identified: (1) Intensive bursty Langmuir waves are detected downstream of the IP shock, coinciding with that the penetrating terrestrial foreshock electron beams are accelerated parallel to the magnetic field toward downstream. (2) The IP shock is interacting with the upstream Alfvén waves/fluctuations, and associated with atypically intensive beam-like gyrating-reflected ions compared to other events with similar shock parameters. These findings raise questions and trigger further investigations regarding particle acceleration (i.e. through precursor whistlers) and shock-Alfvén-wave interaction.
Le transport d’énergie dans la couronne et le vent solaires, qui n'est pas complètement compris, joue un rôle clé dans le chauffage de la couronne et l'accélération du vent. En raison de leur faible masse par rapport aux ions, les électrons dominent l'expansion thermique du vent solaire. Pour dériver leurs propriétés, la technique du bruit quasi-thermique (QTN) est un outil fiable : elle permet d'obtenir des mesures précises des paramètres des électrons dans le vent solaire, en particulier la densité électronique totale, sans aucun étalonnage. La technique QTN permet donc des vérifications croisées en routine pour les détecteurs de particules traditionnels. La sonde solaire Parker Solar Probe (PSP), en cours d'exploitation, dont les distances héliocentriques des périhélies de l'orbite passent de 35.7 rayons solaires (Rs) à 9.86 Rs en l'espace de cinq ans, offre une opportunité inédite d'examiner les propriétés du vent solaire au plus près du Soleil. Tout d'abord, en utilisant les paramètres des électrons obtenus par la technique simplifiée du QTN et les paramètres des protons déduits des "coupes" de Faraday, nous avons étudié le flux d'énergie du vent solaire aussi près du Soleil que 27.8 Rs. Nous avons obtenu une valeur moyenne du flux d'énergie similaire aux résultats précédents basés sur des observations à long terme à de plus grandes distances et à diverses latitudes, ce qui confirme que cette quantité apparaît comme une constante solaire globale. De plus, les distributions normalisées du flux d'énergie sont presque symétriques et bien ajustées par des gaussiennes, ce qui implique des interactions limitées entre le vent solaire et les structures transitoires du plasma dans l'héliosphère interne. Ensuite, nous avons examiné l'évolution radiale de la température totale des électrons (Te), déduite de la technique du QTN en utilisant la partie haute fréquence des spectres radio, avec la distance héliocentrique variant d'environ 13 à 60 Rs. Nous obtenons que Te décroît avec la distance comme ~R^{-0.66}, qui est une variation beaucoup plus lente qu'un comportement adiabatique. La température Te, basée sur les observations PSP, est cohérente avec la prédiction du modèle de vent solaire exosphérique extrapolé à 10 Rs, ainsi qu'aux observations Helios à 0.3 UA et aux observations de Wind à 1 UA, respectivement. De plus, lorsque le vent solaire est plus lent (ou dans un tube de flux avec un flux de masse plus important), les profils radiaux de Te sont plus raides. Une anticorrélation plus prononcée de Vp-Te est observée lorsque le vent solaire est plus lent et plus proche du Soleil. En complément, nous avons créé une base de données de spectres affectés par les ondes de Langmuir et/ou les émissions électromagnétiques, qui peut être utilisée pour une analyse plus approfondie et sera aussi utile pour un ajustement en routine sur la totalité du spectre QTN dans le vent solaire.En plus des propriétés du vent solaire, nous avons étudié un choc interplanétaire (IP) quasi-perpendiculaire supercritique, interagissant avec le pré-choc terrestre. De nouvelles caractéristiques sur les activités des ondes et la dynamique des particules, résultant de l'interaction choc-foreshock, ont été identifiées: (1) Des sursauts d’ondes de Langmuir intenses sont détectées en aval du choc IP, ce qui coïncide avec le fait que les faisceaux d'électrons pénétrant dans le pré-choc terrestre sont accélérés parallèlement au champ magnétique vers l'aval. (2) Le choc IP interagit avec les ondes/fluctuations d’Alfvén en amont, et est associé à un faiseau d’ions réfléchis en giration, d’intensité atypique par rapport à d'autres événements présentant des paramètres de choc similaires. Ces résultats soulèvent des questions et nécessitent des études supplémentaires concernant l'accélération des particules (par exemple par des whistlers précurseurs) et l'interaction choc-ondes d'Alfvén.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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