Tæthedsudsving i solvinden baseret på type III radioudbrud

Type III bursts er blandt de stærkeste radiosignaler, der rutinemæssigt observeres af både rumbårne og jordbaserede instrumenter. De genereres via plasmaemissionsmekanismen, når stråler af supratermiske elektroner interagerer med det omgivende plasma, udløser radioemissioner ved plasmafrekvensen (den grundlæggende emission) eller ved dens anden harmoniske (den harmoniske emission). Når elektronstrålerne forplanter sig udad fra solen, radioemissioner genereres ved gradvist lavere frekvenser svarende til en faldende omgivende solvinds plasmatæthed. Type III bursts kan detekteres samtidigt over et bredt udvalg af længdegrader, og deres radiokilder ligger i betydeligt større radiale afstande end forudsagt af elektrontæthedsmodeller.

Disse obskure egenskaber tilskrives ofte spredningen af ​​radiobølger ved elektrondensitetsinhomogeniteter. Parker Solar Probe (PSP) rumfartøjet, lanceret i august 2018, er et projekt fra NASA for at undersøge solens ydre korona. Dets vigtigste videnskabelige mål er at bestemme strukturen og dynamikken af ​​solens koronale magnetfelt, forstå, hvordan solkoronaen og solvinden opvarmes og accelereres, og bestemme hvilke processer der er ansvarlige for solenergipartikler. En ny undersøgelse rapporterer om en statistisk undersøgelse af type III burst henfaldstider og in-situ tæthedsudsvingsmålinger.

Forskerne analyserede et stort antal type III-udbrud observeret af PSP under perihelion nr. 2 for statistisk at hente deres eksponentielle henfaldstider som funktion af frekvensen (figur 1a). I denne periode, radiale afstande fra solen varierede fra 35,7 til 53,8 solradier. Krupar et al. (2018) udførte en lignende analyse af 152 type III bursts mellem 125 kHz og 1 MHz observeret af STEREO-rumfartøjet placeret ved 1 au. Det opnåede spektralindeks er omkring to gange mindre end for PSP.

Forskerne bemærker, at en plasmafrekvens på 1 MHz - hvor hældningen skifter mellem STEREO og PSP - svarer til en radial afstand på otte solradier, hvor solvindhastigheden typisk overstiger Alfvén-hastigheden, og solvinden bliver super-alfvénisk. Det er således ingen overraskelse, at type III burst-egenskaber ændrer sig omkring en frekvens på 1 MHz, da baggrundsplasmaet ændrer sig væsentligt. Forskerne bemærker, at type III-bursts også udviser en maksimal effektspektraltæthed ved 1 MHz.

De implementerede en Monte Carlo-simuleringsteknik til at studere rollen af ​​spredning til henfaldstider. Fra ankomsttiderne, de beregnede henfaldstiderne og sammenlignede dem med dem, der blev observeret af PSP. Resultaterne tyder på, at det eksponentielle fald af den observerede effektspektraltæthed kan forklares ved spredningen af ​​radiosignaler ved tæthedsinhomogeniteter i solvinden. De relative elektrondensitetsfluktuationer var 0,09-0,22 ved den effektive turbulensskala-længde (figur b).

Sammenfattende, type III burst henfaldstider mellem 1 og 10 MHz er statistisk længere end forventet baseret på tidligere observationer ved lavere frekvenser. Dette kan enten forklares ved forskellige omgivende plasmaparametre over Alfvén-punktet, eller fordi den harmoniske komponent over 1 MHz fortrinsvis blev observeret. Hvis det sidste er sandt, variationer i eksponentielle henfaldstider kan bruges til at skelne mellem fundamentale og harmoniske komponenter inden for en enkelt type III burst. Ved at sammenligne PSP-observationer og Monte Carlo-simuleringer, forskerne forudsagde relative tæthedsudsving ved radiale afstande mellem 2,5 og 14 solradier til at variere fra 0,22 til 0,09.