基于PSP观测的太阳风Switchbacks结构分布、旋转、尺度特性分析

来源 :中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心) | 被引量 : 0次 | 上传用户:xuru69
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太阳风中磁力线扭曲形成的“S”型的磁场结构被称为磁力线回转(switch-backs),它的标志性特征是径向磁场的反转和径向速度的明显增加。Switchbacks是太阳风中一种重要的磁场结构,它可能起源于交换磁重联、等离子体速度剪切、太阳风中等离子体波动的自然演化、快太阳风追赶慢太阳风而扭曲磁力线等多种物理过程。Switchbacks广泛的存在于太阳风中,可能在太阳风的形成和加速过程中发挥着重要作用。本文基于Parker Solar Probe(PSP)前两次近日飞行期间的太阳风的就地观测数据,研究了典型switchbacks结构的旋转特性,并对switchbacks的分布,旋转角度,旋转方向,径向尺度等进行了统计分析。研究switchbacks的特征与演化有助于我们确定switchbacks的起源过程和起源区域,这对于更深入地理解太阳风的形成和演化过程具有重要的意义。PSP探测器在前两次近日飞行期间观测到了大量的switchbacks结构。作者筛选出了16个典型的switchbacks事例并利用最小方差分析(Minimum Variance Analysis,MVA)、De Hoffmann-Teller(HT)Analysis、Walén关系(Walén Relation)、快速傅里叶变换(Fast Fourier Fransform,FFT)等方法对这些典型的switchbacks事例进行了分析。主要得到了如下结论:典型switchbacks结构的磁力线在旋转的过程中倾向于沿着圆弧进行旋转。被PSP观测到的switchbacks的磁场结构近似分布在一个柱面上。这表明switchbacks的核心间隔可能对应空间中的磁流管结构(flux tube)。本文在对典型switchbacks事例特性分析的基础上,根据switchbacks的典型特征筛选了242个事例。对这些事例的溯源结果表明PSP第一次近日期间观测到的switchbacks主要源自冕洞区域,而PSP第二次近日期间观测到的switchbacks主要源自冕洞外部。作者使用统计和拟合的方法对所得switchbacks的分布,旋转方向,旋转角度等进行了分析。并采用switchbacks柱状磁流管模型的假设,结合最小方差分析和滤波器,对switchbacks的径向尺度(径向尺度指switchbacks柱状磁流管圆底面的直径)进行了估计。得到的主要结论如下所示:(1)PSP第一次近日期间观测到的switchbacks的数量随着日心距的增大而减少,平均旋转角度随着日心距的增大呈减小的趋势,而PSP第二次近日期间观测到switchbacks的数量随着日心距的增大而增加,平均旋转角度随着日心距的增大呈增大的趋势。PSP前两次近日飞行期间观测到switchbacks的分布和平均旋转角度有所区别可能是由于PSP第一次近日期间主要观测到了来自于冕洞的太阳风,在冕洞区域内部switchbacks更多的由靠近太阳的物理过程触发,并在向外传播的过程中逐渐演化消失。而在冕洞以外的区域,switchbacks则更多的在远离太阳处就地发生,这也是PSP第二次近日期间观测到switchbacks的数量以及旋转角度都随着日心距的增大而呈现增加趋势的原因。(2)PSP前两次近日期间观测到的switchbacks事例更倾向于发生顺时针旋转,在PSP第一、二次近日期间观测到发生顺时针旋转的switchbacks的数量是逆时针旋转的1.48和2.65倍。这表明只能产生顺时针旋转switchbacks的物理机制如局部速度剪切是switchbacks的重要触发机制。PSP在第一次近日期间观测到了在45–50 R⊙范围内逆时针旋转switchbacks的突然增加,这部分switchbacks可能主要是由45–50 R⊙范围内的波动(Wave)以及湍动(Turbulence)过程触发的。且该区域正好对应第一次近日期间switchbacks平均旋转角度增大的区域,这表明switchbacks在形成时可能具有较大旋转角度。(3)Switchbacks结构的平均径向尺度约为10~5km,结构的径向尺度范围跨越了5个数量级(10~3–10~7km)。起源于冕洞的大部分switchbacks的径向尺度在10~4–10~6km之间,在冕洞之外,径向尺度较小的switchbacks数量占比较多。本文的创新点和特色是:(1)本文结合磁场数据和电子投掷角分布数据筛选了典型的switchbacks进行特性分析,并区分了switchbacks和一般的磁场极性反转,对switchbacks的分布、旋转角度、旋转方向和径向尺度等进行了统计分析。(2)作者对比了起源于冕洞内、外的switchbacks事例,结果表明冕洞内、外的switchbacks的事例在分布、源区和尺度等方面有一定的区别。
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