磁洞是空間等離子體中的一種重要結構，其磁場強度有明顯的下降。早在1977年由Turner等人在太陽風中發(fā)現(xiàn)，持續(xù)時間大約為幾十秒，其中磁場旋轉角度較小的磁洞被稱為線性磁洞。除了小尺度的磁洞結構，還有持續(xù)時間大約為幾十分鐘的大尺度磁洞，我們在論文中稱之為宏觀磁洞（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。其中一種說法根據(jù)宏觀磁洞的觀測特征，認為可能是衛(wèi)星撞到了彎曲的日球層等離子體片（HPS）。HPS是在日球層電流片（HCS）周圍的等離子體結構,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HCS的20–30倍。另一種說法認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，將抵近太陽對太陽風進行測量。與其他衛(wèi)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?？臻g中心空間天氣學國家重點實驗室劉潁研究員課題組結合STEREO A衛(wèi)星的遙感成像數(shù)據(jù)和PSP衛(wèi)星的就地觀測數(shù)據(jù)，對宏觀磁洞的起源和特征做了詳細的個案研究和統(tǒng)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(wèi)星就地觀測數(shù)據(jù)表明（圖1），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(fā)生改變，徑向速度和質子β值增大，這些特征與HCS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（PAD）和徑向磁場的極性沒有改變。根據(jù)STEREO A日冕儀成像數(shù)據(jù)（圖2），PSP衛(wèi)星在觀測到宏觀磁洞時恰好位于冕流的下邊緣。因此他們推測，宏觀磁洞產生的原因是PSP掠過了HPS但是最終又回到了原來的太陽風扇區(qū)。上述結果說明，HCS存在局部的波動或漣漪，導致衛(wèi)星短暫接近HCS。
課題組從PSP前四個軌道數(shù)據(jù)中鑒定出17個宏觀磁洞事件，對其進行統(tǒng)計分析，給出了宏觀磁洞的統(tǒng)計特征，并估算了HCS波動或漣漪的尺度。其統(tǒng)計特征為：（1）宏觀磁洞的持續(xù)時間大概為幾十分鐘，并且持續(xù)時間和衛(wèi)星的日心距無關；（2）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；（3）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(fā)生改變。其徑向速度增加有可能是由HCS中磁重聯(lián)導致的，Phan等人(2020)認為，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特征。最后課題組利用勢場-源面（PFSS）和磁流體動力學模型，估算了HCS波動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個太陽半徑。
他們推測，造成HCS這種波動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)，導致了HCS和冕流的動態(tài)變化；也可能是光球上磁浮現(xiàn)或擾動導致了磁場位形的變化，這種變化最終反映到HCS上。這兩種過程都可以產生擾動并沿著HCS傳播，造成HCS的波動或者漣漪。
另外，沿著HCS傳播的等離子體塊也可能會造成HCS的波動或漣漪。Sanchez-Diaz 等人(2019) 和 Lavraud 等人(2020)提出，太陽風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)磁流繩結構。
論文發(fā)表于The Astrophysical Journal，第一作者為研究生陳沖。研究結果對于理解HCS的動力學過程、以及太陽風結構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觀測數(shù)據(jù)，兩條虛線標記出宏觀磁洞的范圍。
圖2：STEREO A衛(wèi)星日冕儀圖像和PFSS日冕磁場重構。黑色直線代表觀測到的宏觀磁洞期間PSP衛(wèi)星的位置角。
