太阳风中低频阿尔芬波湍流导致的垂直离子加热

我们考虑了湍流阿尔芬波(AWs)和动力学阿尔芬波(KAWs)对离子的加热，这些波的垂直波长与离子回旋半径相当，频率小于离子回旋频率。当湍流幅度超过某个阈值时，离子的轨道变得混沌。离子随后与随时间变化的静电势随机相互作用，其能量经历随机游走。利用唯象论证，我们推导了不同离子种类被加热速率的解析表达式，并通过模拟与随机相位AWs和KAWs谱相互作用的测试粒子进行了验证。我们发现随机加热速率敏感地依赖于量ε = dv/vperp，其中vperp是离子速度垂直于背景磁场B0的分量，dv(dB)是回旋半径尺度上速度(磁场)涨落的均方根振幅。对于热质子，当ε << ε1(ε1为常数)时，质子的磁矩几乎守恒，随机加热极弱。然而，当ε > ε1时，质子加热速率超过了在相同dv值下强平衡KAW湍流中存在的级联功率，且磁矩守恒被破坏。在我们的测试粒子模拟中，对于随机相位波，ε1约为0.2。对于低β等离子体中的质子，ε近似为dB/B0除以β的平方根，即使当dB/B0 << ε1时，ε也可能超过ε1。在可比温度下，α粒子和微量离子具有比质子更大的ε值，因此被更有效地加热。我们讨论了这些结果对日冕洞和太阳风中离子加热的意义。