在太陽(yáng)風(fēng)從日冕流向行星際的過(guò)程中，太陽(yáng)風(fēng)會(huì)由磁能主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓜?dòng)能主導(dǎo)，表現(xiàn)為其速度超過(guò)當(dāng)?shù)氐陌柗也ㄋ俣?。阿爾芬表面是太?yáng)風(fēng)由亞阿爾芬速度轉(zhuǎn)變?yōu)槌柗宜俣鹊姆纸缑妫彩侨彰崤c行星際空間的分界面。亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)和超阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)應(yīng)具有不同的性質(zhì)。同時(shí)，日冕加熱與太陽(yáng)風(fēng)加速被認(rèn)為主要發(fā)生在阿爾芬表面以下。因此，對(duì)亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)性質(zhì)的研究和對(duì)阿爾芬表面的位置的推斷都具有重要的科學(xué)意義。
Parker Solar Probe（PSP）衛(wèi)星自2021年4月首次觀測(cè)到亞阿爾芬速的太陽(yáng)風(fēng)以來(lái)，又多次進(jìn)入阿爾芬表面以下區(qū)域，獲得了亞阿爾芬速區(qū)域等離子體及磁場(chǎng)等信息。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱“空間中心”）太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉潁研究員課題組從已有的PSP觀測(cè)中，鑒定出所有的、穩(wěn)定的亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)區(qū)間，將其起源和性質(zhì)與同期的超阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)進(jìn)行了對(duì)比研究。表1給出了亞阿爾芬速區(qū)間以及它們相關(guān)的物理參數(shù)。
表1：PSP在第8軌到14軌觀測(cè)到的亞阿爾芬速區(qū)間及其特征。
研究發(fā)現(xiàn)，目前觀測(cè)到的穩(wěn)定的亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)區(qū)間具有共同特征，包括較低的速度、低密度、減弱的磁力線回轉(zhuǎn)（Switchback）、以及增大的阿爾芬半徑等（見(jiàn)表1）。通過(guò)對(duì)這些亞阿爾芬速流進(jìn)行溯源，我們發(fā)現(xiàn)它們?cè)谔?yáng)上的源區(qū)往往位于冕洞邊界、或者狹窄的/面積小的開(kāi)放磁力線快速發(fā)散的區(qū)域。這些性質(zhì)和起源符合劉潁研究員等人（2023）提出的低馬赫數(shù)邊界層（LMBL）概念。在LMBL中，太陽(yáng)風(fēng)阿爾芬馬赫數(shù)降低。隨著PSP靠近太陽(yáng)，LMBL的馬赫數(shù)率先降低到1以下，形成了觀測(cè)到的亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)流。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示年輕太陽(yáng)風(fēng)的結(jié)構(gòu)組成。圖1展示的是原始階段的超阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)和亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)的速度-密度分布情況。對(duì)于超阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)，可以看到分為兩個(gè)部分。其中一部分速度較高、密度較低，推測(cè)來(lái)源于冕洞內(nèi)部的開(kāi)放磁力線區(qū)域；另一部分速度較低、密度較高，來(lái)自于冕流等磁力線閉合區(qū)域。對(duì)于亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)（同時(shí)也是LMBL），可以看到其速度較低、密度也較低，這一特點(diǎn)可以由其起源于快速發(fā)散的開(kāi)放磁力線來(lái)解釋。這一結(jié)果表明原始階段的太陽(yáng)風(fēng)由三種成分構(gòu)成，即來(lái)自冕洞內(nèi)部的低密度快太陽(yáng)風(fēng)、來(lái)自冕流的高密度慢太陽(yáng)風(fēng)、來(lái)自冕洞邊界的低密度慢太陽(yáng)風(fēng)（即劉潁等人定義的LMBL）。
圖1：原始階段太陽(yáng)風(fēng)的速度-密度分布。
圖2：左，阿爾芬半徑在黃道面的分布。右，阿爾芬半徑的概率密度分布函數(shù)。
研究團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了劉潁等人提出的計(jì)算阿爾芬半徑的方法，得到了更加全面的阿爾芬半徑的分布情況（圖2）。阿爾芬半徑在黃道面的分布結(jié)果表明，太陽(yáng)風(fēng)阿爾芬過(guò)渡區(qū)的形態(tài)符合“崎嶇”的表面（“rugged”surface）。超阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)的阿爾芬半徑集中在12個(gè)太陽(yáng)半徑左右，而亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)的阿爾芬半徑主要分布于15 – 25個(gè)太陽(yáng)半徑。也就是說(shuō)，PSP目前主要在阿爾芬半徑增大的區(qū)域觀測(cè)到亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)，而不是在典型的阿爾芬半徑的距離，即目前PSP對(duì)亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)的觀測(cè)主要集中在LMBL。未來(lái)隨著其高度進(jìn)一步下降，PSP可能觀測(cè)到更多不同類型的亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)，特別是來(lái)自冕洞內(nèi)部的亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)。
論文發(fā)表于The Astrophysical Journal，第一作者為空間中心研究生焦怡明，通訊作者為劉潁研究員。該研究揭示了目前亞阿爾芬速太陽(yáng)風(fēng)的普遍特性，并給出了原始太陽(yáng)風(fēng)的構(gòu)成、以及阿爾芬半徑的分布情況，對(duì)于理解年輕太陽(yáng)風(fēng)特性及其起源和加速、阿爾芬表面的形態(tài)具有重要意義。
Citation: Yiming Jiao, Ying D. Liu*, Hao Ran, and Wenshuai Cheng, Properties of Steady Sub-Alfv nic Solar Wind in Comparison with Super-Alfv nic Wind from Parker Solar Probe Measurements, 2024, The Astrophysical Journal, 960, 42
(https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad0dfe)
（供稿：天氣室）
