Kappa-verdelingen in ruimteplasma’s

Ruimtefysica
Ruimteplasma’s zijn in wezen gassen zonder interne botsingen, die uit thermisch evenwicht zijn en waarin grotere hoeveelheden aan suprathermale deeltjes waargenomen worden. De typische verdelingen worden over het algemeen beter beschreven door Kappa-verdelingen dan door Maxwell-verdelingen, vooral voor elektronen. Dit heeft grote gevolgen aangezien elektronen door hun kleine massa een belangrijke rol spelen in het plasma-energietransport. Suprathermale elektronen vervullen een kritische functie bij de opwarming en versnelling van plasmas, in het bijzonder in de zonnecorona en zonnewind.

Suprathermale staarten

Non-thermische deeltjesverdelingen worden alom waargenomen in ruimteplasma’s. Metingen bevestigd door vele interplanetaire missies vertonen toegenomen populaties van suprathermale elektronen.

De verdelingsfuncties van de elektronensnelheid in ruimteplasma's hebben duidelijk niet-Maxwelliaanse suprathermale staarten, die afnemen als een macht van de snelheid. Dergelijke verdelingen kunnen worden benaderd door de zogenaamde Kappa of gegeneraliseerde Lorentziaanse distributies. Een typische snelheidsverdeling waargenomen door WIND bij 1 AU in de lage snelheid-zonnewind is geïllustreerd in Figuur 4. Maxwellian is ter vergelijking weergegeven in het rood.

Zonnewind model

Exosferische modellen gebaseerd op anisotrope Kappaverdelingen zijn ontwikkeld om de uitstroom van deeltjes uit planetaire en stellaire exosferen te bestuderen. Zo’n modellen laten zien dat suprathermale elektronen grote ambipolaire elektrische velden en warmtestroming genereren langs open magnetische stromingstunnels in solaire / stellaire coronae en in planetaire ionosferen, en zo aanzienlijk bijdragen aan de opwekking van zonne- en sterre-windversnellingen, uitstroming van planetaire ionosferen, en mogelijk zelfs exoplanetair atmosferisch verlies.

In zonnewindmodellen hangt de snelheid bij 1 AU af van de suprathermale staart van de ontsnappende populatie en dus van de kappa-waarde. Een lage hoogte van de exobasis (waar de ontsnapping begint) versnelt ook de wind. Met realistische randvoorwaarden kan het model worden gebruikt voor ruimteweersvoorspellingen.

Referenties

  • Dahlqvist, C.-H., Pierrard, V. (2018). Improvements for solar wind exospheric model through boundary conditions optimization. Submitted to Solar Physics.
  • Lazar, M., Pierrard, V., Shaaban, S. M., Fichtner, H., Poedts, S. (2017). Dual Maxwellian-Kappa modeling of the solar wind electrons: new clues on the temperature of Kappa populations. Astronomy & Astrophysics, 602, A44. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201630194
  • Moschou, S.-P., Pierrard, V., Keppens, R., Pomoell, J. (2017). Interfacing MHD Single Fluid and Kinetic Exospheric Solar Wind Models and Comparing Their Energetics. Solar Physics, 292(9), 139. https://doi.org/10.1007/s11207-017-1164-6
  • Pierrard, V., Meyer-Vernet, N. (2017). Electron Distributions in Space Plasmas. In Kappa Distributions (pp. 465–479). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-804638-8.00011-5
Zonnewindsnelheid
Figuur 2: Zonnewindsnelheid (kleurschaal in km/s) bekomen a.d.h.v. het exosferisch zonnewindmodel op basis van kappaverdelingen voor de elektronen, als een functie van de kappa-index die wordt gebruikt voor de ontsnappende elektronen, en van de exobasis-radiale afstand in zonneradii. (Credit: Pierrard and Meyer-Vernet, 2017).
Kappa-waarde geassocieerd met de zonnewindsnelheid
Figuur 3: Kappa-waarde geassocieerd met de zonnewindsnelheid in het exosferisch model, met grotere kappa-waarden in de neutrale laag van de heliosfeer (Credit: Moschou et al., 2017).
Een typische snelheidsverdeling
Een typische snelheidsverdeling waargenomen door WIND bij 1 AU in de lage snelheid-zonnewind, Maxwellian is ter vergelijking weergegeven in het rood.