太阳风的起源和加速是太阳和空间物理悬而未决的重大科学问题。Parker Solar Probe（PSP）卫星在2018年发射升空，试图成为人类首颗直接进入太阳大气观测的卫星。作为重大的科学发现之一，PSP观测到非常普遍的磁力线回转现象（switchback），挑战了太阳风起源和加速的传统观念。目前，关于switchback的起源极具争议，提出了多个理论，但是没有足够的证据来检验这些理论。作为另一个重大的里程碑，PSP于2021年4月在人类历史上首次进入了太阳阿尔芬表面以下区域（即日冕），观测到了亚阿尔芬速的太阳风。然而，关于此亚阿尔芬速太阳风的物理本质仍然不清楚；此外，一个重要的问题是，该观测对理解太阳风阿尔芬过渡区的形态、switchback的起源具有什么物理含义？
经过近两年的思考，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室刘颍研究员找到了解决上述问题的突破点，提出了低马赫数边界层（LMBL）的新概念、计算磁力线偏转角的新方法、以及解释switchback的新理论。顾名思义，LMBL对应PSP观测中太阳风阿尔芬马赫数降低的区域（见图1），其基本特征包括减小的太阳风密度和相对较低的速度。低马赫数导致阿尔芬半径增加，从而使得PSP更容易穿越阿尔芬过渡区。在LMBL内，观测到了幅度降低的switchback，表明switchback被低马赫数所抑制。通过对太阳风进行溯源，确定LMBL在太阳上对应着冕洞的边界区域，具有快速发散的开放磁力线（见图2）。其冕洞来源可以解释PSP观测到的低密度，而快速发散的磁力线可以解释相对较低的太阳风速度。因此，LMBL可以被视为慢太阳风和快太阳风之间的过渡层。
图1: PSP在第二轨观测到的LMBL结构。
图2: 关于LMBL在太阳上的源区和物理本质的示意图。
在此基础上提出，PSP观测到的亚阿尔芬速太阳风本质上是一种LMBL结构，即来源于冕洞的边界区域。亚阿尔芬速太阳风的基本特征与LMBL很相似，如减小的密度、相对较低的速度、降低的马赫数、增大的阿尔芬半径、减弱的switchback。PSP后续观测到更多的亚阿尔芬速太阳风区间，都具备上述特征。由于其增大的阿尔芬半径，即使在离太阳约20个太阳半径的位置PSP也观测到了亚阿尔芬速太阳风。然而，此距离不应被视为典型的阿尔芬半径；根据我们的计算结果，太阳风的平均阿尔芬半径为10 - 12个太阳半径。上述结果澄清了PSP观测到的亚阿尔芬速太阳风的起源和物理本质。这些LMBL区间（包括亚阿尔芬速太阳风）具有相似的起源和相似的特性，表明太阳风阿尔芬过渡区的形态应是“崎岖”的表面（“rugged” surface），而不是亚阿尔芬速和超阿尔芬速太阳风混合的、扩展的区域。
图3: 磁力线偏转角与太阳风阿尔芬马赫数的关系。
关于LMBL的结果也指出，switchback的幅度依赖于太阳风阿尔芬马赫数（见图3）。其分布类似于“鲱鱼骨”或“人字形”结构（“herringbone”），表明较大的磁力线偏转角往往发生于较高的阿尔芬马赫数。这一依赖性也表明，switchback的不均匀分布（patchy distribution）是由于阿尔芬马赫数减少所引起的调制。switchback起源于太阳大气（阿尔芬表面以下区域），大于90度的磁偏转角仅在阿尔芬马赫数约大于2时发生（即阿尔芬表面以上区域）。大多数偏转角都低于90度，所以大多数磁力线不是向后偏转而只是“侧向”。因此，我们建议将switchback这一术语改为“Alfvenic flows with a deflected magnetic field and enhanced radial velocity”，或简称“Alfvenic deflections”，此新名词或许比“switchback”更能反映其物理含义，并有利于研究其起源和演化。另外，我们发现磁力线偏转具有顺时针优先特性，这或许与帕克螺旋磁场的几何形态或太阳的自转有关。
刘颍等在研究中进一步发现，switchback的速度增强（以当地的阿尔芬速度为单位）通常随着偏转角的增加而增大（见图4），与我们提出的往外传播的阿尔芬波简易解析模型符合得很好。该解析模型表明，对于磁力线的任何偏转太阳风径向速度的变化始终为正值，成功解释了在switchback中观测到的速度单向增加的特性；该模型也成功解释了亚阿尔芬速太阳风中switchback减弱的现象。这些结果明确指出switchback起源于太阳大气中往外传播的阿尔芬波。一个令人惊讶的发现是，虽然有不少偏转角大于90度，但速度变化大于当地阿尔芬速度的数据点却很少。此发现揭示了switchback的非线性演化的饱和状态，其中当地的阿尔芬速度大致是switchback速度增强的上限。
图4: 速度增强（以当地阿尔芬速度为单位）与磁力线偏转角的关系。其中红线得自往外传播的阿尔芬波解析模型（代表着上限）。
关于LMBL的结果、及其作为快慢太阳风过渡层的物理特性（如增强的速度切变和开放/闭合磁力线的边界，见图2），也为检验关于switchback起源的理论提供了好的切入点。LMBL作为开放/闭合磁力线的边界及其减弱的switchback与当前流行的交换磁重联理论不符，而其增强的速度切变和减弱的switchback也与速度切变和足点运动的理论不符。我们的结果显示，最有前途的理论是膨胀的波动和湍流模型；但是，该模型不应仅被视为在太阳风中的原位形成过程，我们发现switchback起源于太阳大气（即阿尔芬表面以下区域）。
基于以上结果，刘颍等创建了switchback起源和演化的物理图像。光球无处不在的磁力线足点运动产生大量向外传播的阿尔芬波。随着太阳等离子体膨胀并加速成为太阳风，向外传播的阿尔芬波能够引起磁力线偏转和等离子体径向速度的增强。尽管switchback在阿尔芬表面以下较弱，但当阿尔芬马赫数增加时它们的幅度会增加。在高于阿尔芬表面的某个马赫数或距离处，其增加的幅度使得磁力线开始向后偏转（即真正的switchback形成）。大于90度的磁偏转代表一个演化了之后的非线性状态，其中当地的阿尔芬速度可以被视为速度增强的上限。在某个阶段，衰变过程开始发挥作用，switchback在到达1 AU之前就开始消退。在1 AU或更远处观测到的明显switchback残留仅对应某些特定的情形（如高马赫数或大的径向磁场分量）。
论文发表于The Astrophysical Journal，第一/通讯作者为刘颍研究员，合作者为冉豪、胡会东、Stuart Bale。审稿人评价：“This manuscript contains significant new results and theories which can help to understand the origin and evolution of the switchbacks. The manuscript is thus important to the community and appropriate for the journal. The manuscript is well written, and the conclusions are consistent with the evidence and arguments presented.”
Citation:
Ying D. Liu, Hao Ran, Huidong Hu, and Stuart D. Bale, On the Generation and Evolution of Switchbacks and the Morphology of the Alfvenic Transition: Low Mach-number Boundary Layers, 2023, The Astrophysical Journal, 944, 116
(https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acb345)
（供稿：天气室）
附件下载：