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科研人員揭示太陽風中大尺度磁洞奧秘

發布時間:2021-11-26 16:34:44  |  來源:中國科學報  |  作者:   |  責任編輯:科學頻道

磁洞是空間等離子體中的一種重要結構,因為磁場強度有明顯的下降因此被稱為“洞”。大尺度磁洞的起源一直是個謎。中國科學院國家空間科學中心科研人員利用帕克太陽探測器(PSP)衛星和日地關系探測器-A (STEREO A)衛星的數據,研究發現了太陽風中大尺度磁洞的起源和特征,該研究對于理解太陽風結構的起源、演化及動力學過程具有重要意義。近日,論文發表于《天體物理學報》。

早在1977年,科學家在太陽風中就發現了持續時間大約為幾十秒,磁場旋轉角度較小的磁洞。除了小尺度的磁洞結構,還有持續時間大約為幾十分鐘的大尺度磁洞,被稱為宏觀磁洞。

目前,關于宏觀磁洞的起源有兩種較為流行的猜測,一種認為宏觀磁洞可能是由很多線性磁洞聚集在一起形成的;另一種則認為可能是衛星撞到了彎曲的日球層等離子體片之后形成的。日球層等離子體片是在日球層電流片周圍的等離子體結構,而日球層電流片是慢太陽風中的重要結構,日球層等離子體片具有密度明顯增強、磁場強度下降、等離子體β值增大等特征,厚度大約為日球層電流片的20–30倍。

兩種猜測究竟誰更接近事實,需要來自實驗數據的驗證。2018年8月,帕克太陽探測器(PSP)衛星發射升空,目標是抵近太陽對太陽風進行測量。與其他衛星的成像觀測結合,PSP提供了研究太陽風結構的前所未有的機會。鑒于此,中科院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室劉潁研究員課題組將PSP衛星的就地觀測數據與STEREO A衛星的遙感成像數據相結合,對宏觀磁洞的起源和特征做了詳細的個案研究和統計分析。

課題組詳細研究了2020年1月30日的宏觀磁洞事件。PSP衛星就地觀測數據表明,宏觀磁洞內部的總磁場強度減小,徑向磁場減小并且極性發生改變,徑向速度和質子β值增大,這些特征與日球層電流片穿越事件的觀測特征很相似,但是穿越宏觀磁洞前后超熱電子投擲角分布和徑向磁場的極性沒有改變。根據STEREO A日冕儀成像數據,PSP衛星在觀測到宏觀磁洞時恰好位于冕流的下邊緣。因此科研人員推測,該宏觀磁洞產生的原因是PSP衛星掠過了日球層等離子體片,但是最終又回到了原來的太陽風扇區。上述結果說明,日球層電流片存在局部的波動或漣漪,導致衛星短暫地接近了日球層電流片。

在開展個案研究的同時,課題組還從PSP衛星前四個軌道數據中鑒定出了17個宏觀磁洞事件,并對其進行統計分析。他們由此歸納出了宏觀磁洞的統計特征,認為宏觀磁洞的持續時間大概為幾十分鐘,并且持續時間和衛星的日心距無關;宏觀磁洞內部總磁場強度比周圍太陽風低很多,但等離子體密度、徑向速度和質子β值通常情況下是增大的;在宏觀磁洞前后磁場極性是一致的,但在宏觀磁洞內部徑向磁場的方向會多次發生改變。此外,課題組還提出,日球層電流片波動或漣漪的徑向平均尺度和垂直方向的平均尺度,分別為2和10個太陽半徑。

STEREO A衛星日冕儀圖像和勢場-源面(PFSS)日冕磁場重構。黑色直線代表觀測到的宏觀磁洞期間PSP衛星的位置角。 (中科院國家空間科學中心供圖)