地空学院何建森课题组与合作者揭示速度脉冲传播耗散对太阳风非绝热膨胀的重要作用

　　

北京大学地球与空间科学学院何建森教授课题组联合国内外合作者，综合Solar Orbiter、Wind等航天器的原位探测和SDO、羲和号的源区遥感观测，利用多航天器近的准径向排列，追踪同一股快速太阳风从近太阳区域传播至地球轨道的演化过程。研究发现，近太阳处丰富的间歇性速度脉冲在向外传播过程中显著耗散，并为太阳风的持续加热和局地等离子体比熵增加提供能量。相关成果以“Non-adiabatic entropy increase in the solar wind governed by velocity spikes”为题发表于《自然·天文学》（Nature Astronomy），侯传鹏博士为论文第一作者。

太阳风是太阳外层大气持续释放的高速等离子体流。随着太阳风向外膨胀，其温度会逐渐降低，但航天器观测显示，太阳风实际降温速度远慢于理想绝热膨胀的理论预期，说明其传播过程中存在额外能量输入。尽管阿尔芬湍动被认为是太阳风加热的重要机制，能量由何种结构从太阳源区输送至行星际空间，并最终转化为等离子体热能，仍是日球层物理研究中的关键问题。

近太阳区域经常出现短时、强烈的速度增强结构，即“速度脉冲”，并常伴随磁场方向的大幅偏转。此类结构兼具大振幅阿尔芬涨落和局地陡峭结构的特征，可能是太阳风能量传输的重要载体，但其径向耗散和加热效应需要对同一股太阳风进行多点追踪才能可靠评估。

2023年3月27日至4月1日，太阳、Solar Orbiter与Wind航天器形成准径向排列。Solar Orbiter位于距太阳约0.38天文单位处，Wind位于地球附近、距太阳约1天文单位处。团队结合航天器位置、太阳风平均速度和温度变化，估算该太阳风流从Solar Orbiter传播至Wind约需48.5小时。航天器的的测量廓线以及太阳表面磁足点回溯结果，均支持两艘航天器观测到同一股太阳风。

图1：Solar Orbiter、Parker Solar Probe和地球/Wind在内日球层中的位置。Solar Orbiter与Wind准径向排列，有利于连续观测同一股太阳风

研究综合使用了Solar Orbiter、Wind和Parker Solar Probe（PSP）的原位观测，以及CHASE和太阳动力学天文台（SDO）的遥感观测。其中，CHASE提供了具有全日面覆盖和较高空间、光谱分辨率的Hα光谱数据。研究团队将Hα多普勒速度图与航天器磁足点的回溯结果对齐，从太阳色球层端诊断太阳风源区的物质运动。

回溯结果显示，该太阳风源区位于一个赤道冕洞边界附近，具有开放磁场和丰富的细尺度喷流活动。CHASE Hα多普勒图显示回溯源区存在较强蓝移分量；结合SDO/HMI磁场观测和SDO/AIA多波段成像，团队分析了色球层物质运动、光球磁场与日冕喷流等源区活动。由此，研究提出如下物理图景：太阳大气中的磁重联活动可产生初始阿尔芬涨落，其中一部分进入行星际空间并演化为速度脉冲。

图2：Solar Orbiter与Wind的轨道关系，以及叠加航天器回溯足点的CHASE Hα多普勒图和SDO/HMI视向磁场图

Solar Orbiter在近太阳处观测到频繁的间歇性速度脉冲，而Wind在地球轨道附近测得的速度脉冲显著减弱。功率谱分析显示，Solar Orbiter处的径向速度涨落功率高于Wind，Wind处的涨落振幅也明显低于无反射阿尔芬波的WKB理论预期，表明速度脉冲的衰减不能仅由太阳风膨胀解释，非线性演化和湍动耗散发挥了重要作用。质子速度分布函数还显示，速度脉冲内部伴随质子核心成分加速、核心与束流成分混合以及增强的加热特征。

图3: Solar Orbiter与Wind的太阳风原位观测，以及Solar Orbiter在速度脉冲内外测得的质子速度分布函数

团队以Solar Orbiter探测为初始条件，以脉冲起伏的多点探测为模型约束，应用阿尔芬湍动传播耗散加热模型，预测太阳风的温度和比熵演化。模型预测的1天文单位处温度与比熵分布均与Wind原位探测一致；Wind测得的比熵也系统性高于Solar Orbiter处的数值。这里的“熵增”是指局地太阳风等离子体的单位质量熵增加。

团队还利用空间天气建模框架中的阿尔芬波太阳模型（SWMF/AWSoM）开展补充模拟。结果显示，较弱的模型速度涨落会低估太阳风温度，而较强涨落能够更好地再现观测。综合原位测量、遥感观测和理论模型，研究提出：太阳源区磁重联可能产生向外传播的阿尔芬涨落，其中一部分演化为速度脉冲；速度脉冲在传播中衰减，并向阿尔芬湍动串级输送能量，进而促进太阳风非绝热加热和比熵增加。

图4: 太阳风速度功率谱、质子温度和比熵的径向演化，以及观测结果与阿尔芬湍动加热模型的对比

该研究利用准径向多航天器排列，对同一股快速太阳风开展追踪，并发挥CHASE全日面Hα光谱观测优势，把太阳源区动力学与行星际多点原位测量联系起来，为贯通“太阳源区活动—速度脉冲—阿尔芬湍动—太阳风热力学演化”的完整物理链条提供了坚实的研究证据。

研究由北京大学、德国波茨坦大学、中国科学院国家空间科学中心、中国气象局国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心）、法国天体物理与行星科学研究所、德国波茨坦莱布尼茨天体物理研究所、南京大学、美国阿拉巴马大学亨茨维尔分校、英国伦敦大学学院和美国加利福尼亚大学洛杉矶分校等单位合作完成。

研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家航天局相关项目、亚历山大·冯·洪堡基金会、欧洲研究理事会SLOW_SOURCE项目和法国国家空间研究中心等机构与项目支持。