太阳风湍流的探索者

——中国空间科学学会王新的成长故事

基本情况

姓名:王新

工作单位:北京航空航天大学

专业方向:空间物理学

简介

  王新,北京航空航天大学空间与环境学院,副教授,获得中国科协“青年人才托举工程” 2016-2018年度项目资助。

  主要从事日球层中太阳风湍流的串级和加热机制方面的研究。2009年、2014年分别在北京师范大学和北京大学获天文学学士和空间物理学博士学位。共发表学术论文28篇,其中第一作者SCI论文12篇,均属JCR-Q1和Q2区,影响因子为2.7~6.0。目前已完成一项国家自然科学基金青年基金项目,并主持一项国家自然科学基金面上项目。

  王新的工作首次发现了1AU处纯阿尔芬波的存在,并首次研究了太阳风高速流中小尺度间歇结构的本质及其加热效应和对湍流谱各向异性的影响,质疑了学术界关于间歇结构是太阳风加热的主要来源和谱各向异性是由临界平衡串级导致的流行观点。

  党的十八大以来,习近平总书记就科技创新问题发表了一系列重要讲话,作出一系列重要指示,内容丰富,分析透彻,其中突出强调了人才资源是第一资源,创新驱动本质上是人才驱动。习近平总书记关于科技人才的重要论述,把创新发展的重点从发挥“物”的作用转移到调动激发“人”的积极性主动性和创造性、从培养人才转移到使用人才上,进一步拓展了科技创新发展的新视野。

  中国科协青年托举工程项目是为鼓励我们青年科技工作者更好地开展科学技术研究工作而设立的项目,是我们青年学者在开展科学技术研究工作初期的及时雨,为我们这些科研“小苗苗”的茁壮成长提供了关键的帮助。王新在2017年有幸成为了2016-2018年度青年人才托举工程项目的入选者之一。

  在青年托举工程项目的支持下,过去三年里,王新在科研、教学和行政三方面都有了显著成长。

  太阳风是由太阳日冕向外发出的充满行星际空间的等离子体流,是联系太阳与地球磁层环境的主要介质。太阳风具有湍流特性,其扰动的能谱呈现出湍流理论所描述的幂律谱形式。太阳风湍流的能量串级和耗散过程为太阳风加热提供重要能源,是研究宇宙中广泛存在的磁流体湍流的最好范例。太阳风湍流又是对空间飞行器和宇航员有伤害作用的日球层高能粒子的传播媒介,影响高能粒子到达地球空间的时间和强度,是影响空间天气的重要因素。然而太阳风湍流的本质至今仍未研究清楚,其核心科学问题是太阳风湍流特性和能量串级耗散机制。在导师团队的精心指导下,王新的科研工作就围绕太阳风湍流的特性及其能量串级耗散机制展开。

  太阳风具有湍流的串级特性,串级过程被普遍认为是由太阳风中的相向传播的阿尔芬波之间发生非线性相互作用引起。Elsässer变量z-被学界普遍认为是代表了向内传播的阿尔芬波,然而向内传播的阿尔芬波却极少在太阳风中被观测到,因此z-是否是内传波至今仍不清楚。

  在王新等人的工作中,为了弄清楚z-的物理本质,使用了计算自相关函数的新方法,第一次发现在高阿尔芬特性的太阳风湍流中,z-的自相关函数在第一个时间间隔上会出现骤减的现象。这样的观测结果表明z-可能由两部分组成,一是小尺度的噪音,二是大尺度的类结构。这一结果也与z-的功率谱分析结果相吻合。因此,在高阿尔芬特性的太阳风湍流中,z-可能是噪音,而不是向内传播的阿尔芬波,更不能与外传的阿尔芬波发生非线性相互作用引起能量串级。这一结果将会更新人们对太阳风湍流串级过程的认识,为研究太阳风加热加速机制提供重要的观测依据。

  太阳风湍流中,在惯性尺度和离子尺度之间的磁场谱拐点(b)可以为研究湍流的耗散机制提供重要线索。在几种可能存在的机制中,有两种机制较突出,它们分别是与质子回旋半径(ρ)和质子惯性长度(d)相关的两种耗散机制。其中与ρ相关的耗散机制是动力学阿尔芬波的朗道阻尼衰减;与d相关的耗散机制包括磁重联时产生的电流片厚度和不可压的Hall MHD效应。然而,究竟哪种机制占主导,至今仍无定论。

  王新等人的工作是利用WIND飞船高时间分辨率的磁场观测数据,显示b/d统计来说不依赖于等离子体β值,它的平均值约为0.5。对比来说,b/ρ则明显地随β的变大而变大。因此,在太阳风湍流中,占主导的耗散机制应当是与质子惯性长度d相关的机制。这一结果对于研究太阳风湍流的耗散机制提供了重要线索,同时将会为湍流耗散机制的模拟提供可靠的观测依据。

  太阳风湍流相关函数等值线的各向异性曾经被观测到,并被认为与临界平衡串级理论相吻合。该理论预测随着尺度变小,各向异性增强,但没有被观测证实。王新等人的工作第一次通过ACE卫星的观测给出了从2天到1小时尺度上的二维相关函数等值线,并发现随着尺度的减小,相关函数的各向异性消失。这一结果不能用现有理论来解释,从而为人们研究太阳风湍流开辟了新的方向。

  宁静区起源的太阳风通常被认为是低速太阳风,具有低阿尔芬特性和低质子温度的特点。王新等人的工作通过磁力线追踪为1AU处的太阳风寻找了其在太阳表面对应的源区位置,并发现在太阳活动高年,宁静区起源的低速太阳风与冕洞起源的高速太阳风有相似特性,即具有高阿尔芬特性。这一观测结果将帮助我们更多地了解太阳风源区与行星际太阳风特性之间的关系。

  在中国科协青年托举工程2016-2018项目的帮助支持下,王新完成了以上科研工作,并承担了教学和行政等事务。在空间物理国际权威杂志(The Astrophysical Journal和Journal of Geophysical Research – Space Physics)上以第一作者身份发表SCI文章五篇;受邀参加以色列国际会议(Dynamical Processes in Space Plasmas)并做口头报告;由讲师晋升为副教授;并获得一项国家自然科学基金面上项目支持。

  王新能够合理安排工作的时间,完成项目各阶段目标,研究工作为弄清楚太阳风湍流耗散区能量串级和耗散的物理过程,认证太阳风湍流起源和内禀成分提供了重要的线索和观测依据。