磁洞是空間等離子體中的一種重要結(jié)構(gòu)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度有明顯的下降。早在1977年由Turner等人在太陽風(fēng)中發(fā)現(xiàn)，持續(xù)時(shí)間大約為幾十秒，其中磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角度較小的磁洞被稱為線性磁洞。除了小尺度的磁洞結(jié)構(gòu)，還有持續(xù)時(shí)間大約為幾十分鐘的大尺度磁洞，我們?cè)谡撐闹蟹Q之為宏觀磁洞（MMH）。宏觀磁洞的起源問題一直沒有得到解決，目前有兩種較為流行的猜測(cè)。其中一種說法根據(jù)宏觀磁洞的觀測(cè)特征，認(rèn)為可能是衛(wèi)星撞到了彎曲的日球?qū)拥入x子體片（HPS）。HPS是在日球?qū)与娏髌℉CS）周圍的等離子體結(jié)構(gòu),具有密度明顯增強(qiáng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度下降、等離子體β值增大等特征，厚度大約為HCS的20–30倍。另一種說法認(rèn)為宏觀磁洞可能是由很多線性磁洞聚集在一起形成的。
Parker Solar Probe（PSP）衛(wèi)星在2018年8月發(fā)射升空，將抵近太陽對(duì)太陽風(fēng)進(jìn)行測(cè)量。與其他衛(wèi)星的成像觀測(cè)結(jié)合，PSP提供了研究太陽風(fēng)結(jié)構(gòu)的前所未有的機(jī)會(huì)?？臻g中心空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉潁研究員課題組結(jié)合STEREO A衛(wèi)星的遙感成像數(shù)據(jù)和PSP衛(wèi)星的就地觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)宏觀磁洞的起源和特征做了詳細(xì)的個(gè)案研究和統(tǒng)計(jì)分析。
課題組詳細(xì)研究了2020年1月30日的宏觀磁洞事件。PSP衛(wèi)星就地觀測(cè)數(shù)據(jù)表明（圖1），宏觀磁洞內(nèi)部的總磁場(chǎng)強(qiáng)度減小，徑向磁場(chǎng)減小并且極性發(fā)生改變，徑向速度和質(zhì)子β值增大，這些特征與HCS穿越事件的觀測(cè)特征很相似，但是穿越宏觀磁洞前后超熱電子投擲角分布（PAD）和徑向磁場(chǎng)的極性沒有改變。根據(jù)STEREO A日冕儀成像數(shù)據(jù)（圖2），PSP衛(wèi)星在觀測(cè)到宏觀磁洞時(shí)恰好位于冕流的下邊緣。因此他們推測(cè)，宏觀磁洞產(chǎn)生的原因是PSP掠過了HPS但是最終又回到了原來的太陽風(fēng)扇區(qū)。上述結(jié)果說明，HCS存在局部的波動(dòng)或漣漪，導(dǎo)致衛(wèi)星短暫接近HCS。
課題組從PSP前四個(gè)軌道數(shù)據(jù)中鑒定出17個(gè)宏觀磁洞事件，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，給出了宏觀磁洞的統(tǒng)計(jì)特征，并估算了HCS波動(dòng)或漣漪的尺度。其統(tǒng)計(jì)特征為：（1）宏觀磁洞的持續(xù)時(shí)間大概為幾十分鐘，并且持續(xù)時(shí)間和衛(wèi)星的日心距無關(guān)；（2）宏觀磁洞內(nèi)部總磁場(chǎng)強(qiáng)度比周圍太陽風(fēng)低很多，但等離子體密度、徑向速度和質(zhì)子β值通常情況下是增大的；（3）在宏觀磁洞前后磁場(chǎng)極性是一致的，但在宏觀磁洞內(nèi)部徑向磁場(chǎng)的方向會(huì)多次發(fā)生改變。其徑向速度增加有可能是由HCS中磁重聯(lián)導(dǎo)致的，Phan等人(2020)認(rèn)為，HCS中徑向速度的增大和減小分別代表著背離太陽和朝向太陽的重聯(lián)出流。有趣的是，在鑒定出的大多數(shù)宏觀磁洞事件中其徑向速度是增大的，所以將徑向速度增大作為了宏觀磁洞的一個(gè)特征。最后課題組利用勢(shì)場(chǎng)-源面（PFSS）和磁流體動(dòng)力學(xué)模型，估算了HCS波動(dòng)或漣漪的徑向平均尺度和垂直方向的平均尺度（下限，也就是在宏觀磁洞期間PSP衛(wèi)星與HCS之間的垂直距離），分別為2和10個(gè)太陽半徑。
他們推測(cè)，造成HCS這種波動(dòng)或者漣漪的原因可能是冕流底部的閉合磁力線和周圍開放磁力線發(fā)生重聯(lián)，導(dǎo)致了HCS和冕流的動(dòng)態(tài)變化；也可能是光球上磁浮現(xiàn)或擾動(dòng)導(dǎo)致了磁場(chǎng)位形的變化，這種變化最終反映到HCS上。這兩種過程都可以產(chǎn)生擾動(dòng)并沿著HCS傳播，造成HCS的波動(dòng)或者漣漪。
另外，沿著HCS傳播的等離子體塊也可能會(huì)造成HCS的波動(dòng)或漣漪。Sanchez-Diaz 等人(2019) 和 Lavraud 等人(2020)提出，太陽風(fēng)扇形邊界中包含著交替的、沿HCS向外傳播的等離子體塊（plasma blob）和磁流繩（flux rope）。根據(jù)他們描述的衛(wèi)星穿越情況，PSP也可能是穿越了等離子體塊，這和衛(wèi)星撞到HCS波動(dòng)或漣漪的情況有相似的地方。但是也有很明顯的區(qū)別，他們描述的是完整的HCS穿越情況，而宏觀磁洞是部分穿越，也就是說，穿越宏觀磁洞前后超熱電子PAD的方向沒有發(fā)生變化，磁場(chǎng)的極性也沒有變化；另外，在宏觀磁洞附近也沒有發(fā)現(xiàn)磁流繩結(jié)構(gòu)。
論文發(fā)表于The Astrophysical Journal，第一作者為研究生陳沖。研究結(jié)果對(duì)于理解HCS的動(dòng)力學(xué)過程、以及太陽風(fēng)結(jié)構(gòu)的起源和演化具有重要意義。
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)
圖1：2020年11月30日PSP觀測(cè)數(shù)據(jù)，兩條虛線標(biāo)記出宏觀磁洞的范圍。
圖2：STEREO A衛(wèi)星日冕儀圖像和PFSS日冕磁場(chǎng)重構(gòu)。黑色直線代表觀測(cè)到的宏觀磁洞期間PSP衛(wèi)星的位置角。
