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实验室科研人员揭示太阳风中大尺度磁洞的起源和特征

2021年11月08日 星期一 10:28:55

磁洞是空间等离子体中的一种重要结构,其磁场强度有明显的下降。早在1977年由Turner等人在太阳风中发现,持续时间大约为几十秒,其中磁场旋转角度较小的磁洞被称为线性磁洞。一般认为,磁洞是一种压力平衡结构,起源于镜像模(mirror mode),在高速阿尔芬流中出现频率较高。除了小尺度的磁洞结构,还有一种持续时间大约为几十分钟的大尺度磁洞,我们在论文中称之为宏观磁洞(MMH)。宏观磁洞的起源问题一直没有得到解决,目前有两种较为流行的猜测。其中一种说法根据宏观磁洞的观测特征,例如较低的磁场强度、增大的等离子体密度和等离子体β值、以及短暂的行星际磁场翻转,认为可能是卫星撞到了弯曲的日球层等离子体片(HPS)。HPS是在日球层电流片(HCS)周围的等离子体结构,具有密度明显增强、磁场强度下降、等离子体β值增大等特征,厚度大约为HCS的20–30倍。另一种说法认为宏观磁洞可能是由很多线性磁洞聚集在一起形成的。

Parker Solar Probe(PSP)卫星在2018年8月发射升空,将离太阳近距离对太阳风进行测量。与其他卫星的成像观测结合,PSP提供了研究太阳风结构的前所未有的机会。实验室刘颍研究员课题组结合STEREO A卫星的遥感成像数据和PSP卫星的就地观测数据,对宏观磁洞的起源和特征做了详细的个案研究和统计分析。

首先,我们详细研究了2020年1月30日的宏观磁洞事件。此时PSP卫星和STEREO A卫星经度间隔大约为130°,对研究宏观磁洞事件的起源和特性非常有利。PSP卫星就地观测数据表明(图1),宏观磁洞内部的总磁场强度减小,径向磁场减小并且极性发生改变,径向速度和质子β值增大,这些特征与HCS穿越事件的观测特征很相似,但是穿越宏观磁洞前后超热电子投掷角分布(PAD)和径向磁场的极性没有改变。因此,我们认为宏观磁洞并不是一个完整的HCS穿越事件。根据STEREO A日冕仪成像数据(图2),我们发现PSP卫星在观测到宏观磁洞时恰好位于冕流的下边缘。因此我们推测,宏观磁洞产生的原因是PSP掠过了HPS但是最终又回到了原来的太阳风扇区。上述结果说明,HCS存在局部的波动或涟漪,导致卫星短暂接近HCS。

图1:2020年11月30日PSP观测数据,两条虚线标记出宏观磁洞的范围。

图2:STEREO A卫星日冕仪图像和PFSS日冕磁场重构。黑色直线代表观测到的宏观磁洞期间PSP卫星的位置角。

其次,我们从PSP前四个轨道数据中鉴定出17个宏观磁洞事件,对其进行统计分析,给出了宏观磁洞的统计特征,并估算了HCS波动或涟漪的尺度。其统计特征为:(1)宏观磁洞的持续时间大概为几十分钟,并且持续时间和卫星的日心距无关;(2)宏观磁洞内部总磁场强度比周围太阳风低很多,但等离子体密度、径向速度和质子β值通常情况下是增大的;(3)在宏观磁洞前后磁场极性是一致的,但在宏观磁洞内部径向磁场的方向会多次发生改变。其径向速度增加有可能是由HCS中磁重联导致的,Phan等人(2020)认为,HCS中径向速度的增大和减小分别代表着背离太阳和朝向太阳的重联出流。有趣的是,在我们鉴定出的大多数宏观磁洞事件中其径向速度是增大的,所以我们将径向速度增大作为了宏观磁洞的一个特征。我们利用势场-源面(PFSS)和磁流体动力学模型,估算了HCS波动或涟漪的径向平均尺度和垂直方向的平均尺度(下限,也就是在宏观磁洞期间PSP卫星与HCS之间的垂直距离),分别为2和10个太阳半径。

我们推测,造成HCS这种波动或者涟漪的原因可能是冕流底部的闭合磁力线和周围开放磁力线发生重联,导致了HCS和冕流的动态变化;也可能是光球上磁浮现或扰动导致了磁场位形的变化,这种变化最终反映到HCS上。这两种过程都可以产生扰动并沿着HCS传播,造成HCS的波动或者涟漪。

另外,沿着HCS传播的等离子体块也可能会造成HCS的波动或涟漪。Sanchez-Diaz 等人(2019) 和 Lavraud 等人(2020)提出,太阳风扇形边界中包含着交替的、沿HCS向外传播的等离子体块(plasma blob)和磁流绳(flux rope)。等离子体块和磁流绳是由磁重联形成的,等离子体块是高密度、低磁场区域,而磁流绳是高磁场、低密度区域。根据他们描述的卫星穿越情况,PSP也可能是穿越了等离子体块,他们提到的卫星穿越等离子体块的情况和我们描述的卫星撞到HCS波动或涟漪的情况有相似的地方。但是也有很明显的区别,他们描述的是完整的HCS穿越情况,而宏观磁洞是部分穿越,也就是说,穿越宏观磁洞前后超热电子PAD的方向没有发生变化,磁场的极性也没有变化;另外,我们在宏观磁洞附近也没有发现磁流绳结构。

论文发表于The Astrophysical Journal,第一作者为研究生陈冲。研究结果对于理解HCS的动力学过程、以及太阳风结构的起源和演化具有重要意义。

Citation:

Chong Chen, Ying D. Liu*, and Huidong Hu, Macro Magnetic Holes Caused by Ripples in Heliospheric Current Sheet from Coordinated Imaging and Parker Solar Probe Observations, 2021, The Astrophysical Journal, 192, 15

(https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac1b2b)



 

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