太陽風加速問題一直是太陽物理領域的研究熱點之一。自從尤金·帕克于1958年提出太陽風理論以來，建立用于解釋太陽風加速機制的模型通常需要1AU處的太陽風觀測結果作為約束條件。 帕克太陽探測器（Parker Solar Probe, 簡稱“PSP”）是歷史上第一個進入太陽大氣觀測的航天器，為研究年輕太陽風的起源和加速提供了寶貴的機會。

中國科學院國家空間科學中心（以下簡稱“空間中心”）太陽活動與空間天氣重點實驗室劉潁、王瑞課題組從PSP前17軌的觀測中，鑒定出所有穩(wěn)定的冕洞太陽風，冕流太陽風，以及低馬赫數(shù)邊界層（LMBL）太陽風。其中，LMBL是劉潁研究員等人（2023）提出的一種起源于冕洞邊界的特殊太陽風，具有低速度，低密度，低阿爾芬馬赫數(shù)的特點。我們將這三種類型太陽風的各個參數(shù)的徑向演化趨勢與雙流體等溫-多方流體動力學模型進行了對比研究。

圖1展示了建模結果和觀測結果的對比。結果呈現(xiàn)了太陽風加速過程中，速度，密度，溫度等參數(shù)的變化趨勢。質(zhì)子溫度和電子溫度在來源于冕洞，冕流，LMBL的三種類型太陽風中的下降速率均低于絕熱膨脹的下降速率，表明近太陽環(huán)境存在普遍加熱。通過建模結果和觀測數(shù)據(jù)的對比，研究團隊發(fā)現(xiàn)上述模型可以復現(xiàn)大部分太陽風演化趨勢。而對于40個太陽半徑之外的冕洞太陽風，模型預測的速度略低于實際測量，這可能表明存在除熱壓之外的加速機制，例如阿爾芬波壓力的加速。

圖1：太陽風參數(shù)的徑向演化以及和模型的對比。

表 1 總結了圖 1中雙流體等溫-多方流體動力學模型的相關參數(shù)。對于質(zhì)子的多方指數(shù)來說，冕洞太陽風最小，為1.18。而冕流太陽風最大，為1.35。LMBL介于兩者之間，為1.30。冕洞太陽風質(zhì)子較低的多方指數(shù)表明其接近等溫（多方指數(shù)為1）狀態(tài)，其獲得了更多的加熱和加速。不同源區(qū)太陽風的初始質(zhì)子溫度之間存在較大差異，其中冕洞太陽風對應最高的初始質(zhì)子溫度（約2.0 Mk），而冕流太陽風的初始質(zhì)子溫度只能達到0.5 Mk附近。與質(zhì)子情況形成對比的是，三種類型的太陽風電子多方指數(shù)和初始溫度都非常相似，分別約為1.36和略高于1 Mk。因此三種源區(qū)類型的太陽風的電子溫度的演化趨勢沒有顯著區(qū)別。聲速臨界點位置為3.6-7.3太陽半徑。阿爾芬臨界點對于冕洞和冕流太陽風約為12個太陽半徑，對于LMBL則超過20個太陽半徑。上述結果符合PSP就地觀測。

表1：等溫-多方模型的相關參數(shù)。

研究團隊進一步探究質(zhì)子和電子熱壓力在太陽風加速中的作用。圖2展示了消除徑向效應后太陽風速度相對于質(zhì)子和電子溫度的關系。一個特別的結果是，當徑向效應被消除后，質(zhì)子溫度與太陽風速度呈二次正相關，這表明熱能與動能之間存在線性關系，更高的溫度會致使更多的加速。相對而言，電子溫度在不同速度和類型的太陽風中均保持恒定值。這可能表明電子熱壓力對不同源區(qū)類型的太陽風加速具有相似的貢獻，太陽風速度的差異主要由質(zhì)子熱壓力決定。總體而言，冕洞太陽風的質(zhì)子溫度和速度最高，冕流太陽風最低。而LMBL風的質(zhì)子溫度和速度變化幅度較大，可能達到極低值，這可能導致LMBL風的聲速臨界點顯著向外延伸。

圖2：消除徑向效應后速度質(zhì)子和電子溫度的關系。

論文發(fā)表于The Astrophysical Journal Letters，第一作者為空間中心研究生焦怡明。該研究通過評估太陽風中可能的流體動力學機制，揭示質(zhì)子與電子熱壓力在太陽風加速中的貢獻，對于理解年輕太陽風的加速具有重要意義。

Citation: Yiming Jiao, Ying D. Liu*, Wenshuai Cheng, Hao Ran and Rui Wang, On the Acceleration of the Young Solar Wind from Different Source Regions, 2024, The Astrophysical Journal Letters, 975, L41.

(https://doi.org/10.3847/2041-8213/ad85ea)

（供稿：天氣室）