地空学院何建森课题组在太阳风速度脉冲和行星际磁场急转起源问题上取得新进展

帕克太阳探针（PSP）抵近太阳发现原初太阳风中频繁出现速度脉冲和磁场急转同时发生的事件。这种新现象是如何产生的，成为学术界的前沿热点问题。北京大学何建森课题组与合作者组成研究团队，提出“时空回溯定时定位”的方法，融合分析多颗航天器的原位探测和遥感观测数据以及太阳风磁流体力学模型数据，建立起行星际空间中太阳风速度脉冲/磁场急转与太阳大气中的精细喷发活动之间的确切因果联系（图1），发现太阳色球网络组织边界处小尺度交换磁重联活动是速度脉冲和磁场急转形成的关键驱动因素。相关研究成果发表于Nature Astronomy和The Astrophysical Journal Letters。

图1. 太阳风速度脉冲/行星际磁场急转与太阳大气中的精细喷发活动之间的联系示意图

太阳风作为从太阳喷射出的、携带磁场的等离子体流，是太阳向行星际传递能量和物质的重要媒介。太阳风具有活跃的变化特性，太阳风速度和磁场的扰动进一步影响着地球的空间天气效应。自2018年帕克太阳探针（PSP）发射以来，作为距离太阳最近的人造探测器，PSP承担了深入探究太阳风的起源、加热加速和扰动传播演化机制的任务。PSP的原位探测显示，在距离太阳仅0.3个天文单位的区域内，太阳风中频繁出现速度脉冲和磁场急转同时发生的事件（由于速度脉冲和磁场急转的相关性，也称为阿尔芬脉冲）。这些频发现象的背后隐藏了什么秘密？这些现象如何起源，是来自太阳大气的精细活动还是产生于行星际太阳风的相互作用？

针对上述前沿热点问题，（1）作者发展了“时空回溯定时定位”的方法，成功地确定了太阳风速度脉冲的日面源区位置和相关喷流事件，首次建立了太阳风速度脉冲/磁场急转与位于色球网络组织边界处的太阳大气精细喷流活动之间的因果联系；（2）研究发现源区精细重联喷流活动的磁通量变化可向外输运形成太阳风速度脉冲/磁场急转的磁通量；（3）研究还发现太阳风速度脉冲与小尺度日冕增亮事件存在关联：小尺度日冕增亮事件及其光球磁场变化呈现周期性，调控太阳风速度脉冲事件发生的周期性变化。

1、“时空回溯定时定位”建立太阳精细喷流活动与太阳风速度脉冲/磁场急转的因果联系

作者通过结合PSP、SDO等多种观测手段和理论模型，提出“时空回溯定时定位”方法，成功追溯了太阳风中速度脉冲/磁场急转的日面源区以及源区精细活动过程。作者利用势场源表面模型计算了太阳日冕磁场的空间分布，应用帕克螺旋线模型获取行星际磁场的分布情况，结合两种模型，识别出与太阳风速度脉冲/磁场急转相关的磁通量管，并追溯这些磁通量管在太阳表面的起始区域（图2）。此外，作者利用太阳风磁流体力学模型数据计算太阳风速度脉冲（具有阿尔芬性脉冲本质）的传播时间，实现对脉冲起源事件的时间定时，进而确定太阳风速度脉冲/磁场急转与太阳大气精细喷流事件发生时间的关联性（图3）。作者注意到PSP原位探测的太阳风氦离子丰度特征与日冕低纬度区域的观测结果相符，再次确认了回溯得到的速度脉冲/磁场急转的日面源区位置。研究揭示，“时空回溯定时定位”方法同时辅以重离子元素丰度的测量，可以对太阳风精细流结构（包括速度脉冲等）的起源位置和起源过程进行更为准确的评估，是全面了解包括速度脉冲在内的太阳风扰动如何受源区精细活动调控的有效工具。

图2. 针对PSP抵近太阳探测到的速度脉冲/磁场急转频发事件，基于“时空回溯定时定位”方法，重构出从PSP到日面源区的多个磁通量管结构，定位到日面源区位于色球网络组织边界处，定时到色球网络边界处发生的多个精细喷流活动

图3. 太阳大气喷流活动与太阳风速度脉冲/磁场急转的对应关系. 顶部10个子图（1-10）表示AIA 193 Å观测到的十次喷流事件；(a) 太阳风中磁场径向分量；(b) 太阳风径向速度；(c) 太阳风质子数密度；(d) 太阳风质子热速度；(e) 能量范围为314 eV至786 eV的电子投掷角分布。子图(a)-(d)中的灰色阴影区域标记了速度脉冲/磁场急转簇。蓝色阴影区标记了计算得到的喷流扰动到达PSP的时间，到达时间有1小时的不确定度

2、发现精细重联喷流活动的磁通量变化向外输运形成太阳风速度脉冲/磁场急转的磁通量

对喷流活动的进一步分析表明，喷流的形态和磁场分布符合磁场重联的特征，喷流的激发位置位于色球网络边界，激发高度为高色球层或低日冕（图4）。由此，作者给出太阳风中速度脉冲/磁场急转的源区位置和物理过程：色球网络组织边界处、高色球层或低日冕高度的磁场重联过程。作者发现这些精细喷流活动与速度脉冲/磁场急转具有一致的磁通量变化，具体为喷流活动伴随的光球磁通量变化与速度脉冲/磁场急转引起的行星际磁通量变化相当（图5）。作者由此推测源区精细重联喷流活动所伴随磁通量变化可向外输运形成太阳风速度脉冲/磁场急转的磁通量。

图4. 太阳大气精细喷流事件分析. (a) AIA 304 Å图像中的喷流位置，黄色管为磁通量管，黑色曲线表示色球网络组织边界，黑色矩形内的空间范围与子图(b)和(c)中范围相同；(b) 线性无力场外推得到的具有交换磁重联位型的磁力线分布，磁力线的颜色表示局部磁场强度，磁力线的底端连接到HMI磁图，白色和黑色分别代表正磁极性和负磁极性，黄色管表示磁通量管；(c) HMI磁图和AIA极紫外图像按照高度顺序的堆叠

图5. 太阳大气喷流活动与行星际太阳风速度脉冲/磁场急转伴随的磁通量变化的相关性分析

3、发现日冕增亮事件的周期性活动及其对太阳风速度脉冲的周期性调制

针对一些在日面上发生的小尺度微弱磁重联事件，望远镜可能观测不到辐射微弱的喷流活动，但是可以观测到喷流底部的辐射增亮事件。作者发现速度脉冲/磁场急转与日冕增亮现象之间存在重要关联。Solar Orbiter第五次飞掠近日点期间，探测到准周期出现的速度脉冲/磁场急转。这些准周期事件与通过“时空回溯定时定位”观察到的准周期出现的日冕增亮事件（SDO/AIA日冕成像）相吻合（图6）。通过对日冕增亮事件的磁活动和形态的详细分析，作者发现准周期出现的日冕增亮事件伴随着几乎相同周期的磁通量扰动，有接近一半的增亮事件表现为环形或海葵形状，超过三分之一的增亮事件伴随着小尺度喷流活动。这些均符合磁重联事件的观测特征。因此，日冕大气中的局部亮度增强极有可能来自重联过程的磁能释放。准周期活跃的磁重联活动和日冕增亮事件调控了太阳风速度脉冲事件发生的准周期变化。

图6. 准周期出现的太阳风速度脉冲与日冕增亮事件. (a) 太阳风中磁场径向分量；(b) 太阳风径向速度；(c) 太阳风径向速度的二维小波变换功率谱，黑色线标记的区域内置信度为95%；(d) 功率谱的时间平均（黑色实线），峰值周期为7.5小时；(e) 时空回溯定时定位得到的日冕增亮事件数目的时间序列；(f) 日冕增亮事件数目的时间序列的二维小波变换功率谱，黑色线标记的区域内置信度为95%；(g) 功率谱的时间平均（黑色实线），峰值周期为7.6小时

通过以上研究，作者利用“时空回溯定时定位”方法，建立起太阳风速度脉冲/磁场急转与太阳大气精细喷流活动/增亮现象的关联，并进一步提出太阳风速度脉冲/磁场急转起源于太阳大气中位于色球网络边界的磁场重联事件。尽管如此，速度脉冲/磁场急转形成与演化的具体物理过程仍未得到全面理解。未来的研究有必要从以下两个方面深入探讨，以完善对这一谜题的认识：

1、磁重联激发阿尔芬波传播演化形成阿尔芬脉冲的过程：联合观测数据和数值模拟，研究阿尔芬波动振幅的增长和陡化机制，以及大振幅波动从日冕到行星际空间的传播特性。重点关注磁场重联激发的阿尔芬波如何增长演化为大振幅的超阿尔芬波动（扰动速度超过局地阿尔芬速度）乃至跃变的脉冲，并如何导致磁场方向的急转。

2、速度脉冲/磁场急转对太阳风加热加速的机理：通过建立速度脉冲/磁场急转的耗散机理及其能量向粒子转换的理论模型，同时结合数值模拟和观测分析进行验证，这一研究将增进对太阳风如何受超阿尔芬波湍动耗散加热加速的理解。

这些方向的深入研究将更全面地揭示太阳精细活动激发阿尔芬波湍动的作用、阿尔芬波湍动传播演化和耗散加热加速太阳风的作用，更好地认识太阳活动如何塑造日球层的基本科学问题。

相关文章信息：

1. Hou, C., Rouillard, A. , He, J., et al. Connecting Solar Wind Velocity Spikes Measured by Solar Orbiter and Coronal Brightenings Observed by SDO. The Astrophysical Journal Letters (2024）

主要作者信息：侯传鹏（第一作者，北京大学），何建森（通讯作者，北京大学），Alexis Rouillard （通讯作者，法国天体物理与行星研究所）, Solar Orbiter/PAS仪器数据处理团队。

2. Hou, C., He, J., Duan, D. et al. The origin of interplanetary switchbacks in reconnection at chromospheric network boundaries. Nature Astronomy(2024)

主要作者信息：侯传鹏（第一作者，北京大学），何建森（通讯作者，北京大学），Daniel Verscharen（通讯作者，伦敦大学学院），Alexis Rouillard （通讯作者，法国天体物理与行星研究所）, 段叠（国防科技大学），吴子祺（北京大学），陈亚杰（德国马克斯·普朗克太阳系研究所），李会超（哈尔滨工业大学-深圳），杨利平（中国科学院国家空间科学中心），Stuart Bale（加州大学伯克利分校）

相关工作得到了国家自然科学基金项目、科技部重点研发计划项目、欧盟ERC SLOW SOURCE、英国STFC等项目的支持。