[論文レビュー] Magnetic Switchback Occurrence Rates in the Inner Heliosphere: Parker Solar Probe and 1 au

Francesco Pecora, W. H. Matthaeus+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2022

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 47被引用数 33

ひとこと要約

本研究では、8軌道にわたるパーカー太陽探査機（PSP）データを用いて磁気スイッチバックの発生頻度を分析し、局所平均に対して90°を超える磁場反転をスイッチバックと定義している。0.2 au（40 R⊙）近辺で発生頻度が急激に低下し、外側へ向かってやや緩やかに増加する傾向が示され、スイッチバック生成がアルヴェーン臨界半径近辺の力学的過程に関連している可能性を示唆している。この結果は、異なるデータ走査周期や平均化ウィンドウを用いても安定しており、信頼性が高い。

ABSTRACT

The subject of switchbacks, defined either as large angular deflections or polarity reversals of the magnetic field, has generated substantial interest in the space physics community since the launch of Parker Solar Probe (PSP) in 2018. Previous studies have characterized switchbacks in several different ways, and have been restricted to data available from the first few orbits. Here, we analyze the frequency of occurrence of switchbacks per unit distance for the first full eight orbits of PSP. In this work, are considered switchback only the events that reverse the sign of magnetic field relative to a regional average. A significant finding is that the rate of occurrence falls off sharply approaching the sun near 0.2 au (40 $R_\odot$), and rises gently from 0.2 au outward. The analysis is varied for different magnetic field cadences and for different local averages of the ambient field, confirming the robustness of the results. We discuss implications for the mechanisms of switchback generation. A publicly available database has been created with the identified reversals.

研究の動機と目的

• PSPの最初の8軌道のデータを用いて、太陽系内層における磁気スイッチバック発生頻度を定量化すること。
• スイッチバック頻度が太陽からの距離に応じて系統的に変化するかどうかを特定すること。
• 異なる磁場走査周期および局所磁場平均化手法を用いた場合の結果の頑健性を評価すること。
• 特にアルヴェーン臨界半径近辺におけるスイッチバック生成メカニズムに及ぼす意味を検討すること。
• コミュニティ利用を目的として、同定されたスイッチバックの公開可能なデータベースの作成および公開すること。

提案手法

• 6時間ごとの時間間隔で、PSPのFIELDS MAG機器（10秒および60秒走査周期）およびSWEAP SPCによる太陽風速度データを用いた。
• スイッチバックは、正規化された偏角パラメータ z = 1/2(1 - cos(α)) を用いて同定された。ここで α は、瞬時の磁場と6時間の局所平均との間の角度である。
• z ≥ 0.5（偏角 >90°）のイベントをスイッチバックと分類した。
• 待ち時間と持続時間は計算され、外れ値（WT > μ + 3σ）は除外されて、誤った値の影響を避ける措置が取られた。
• 頑健性を検証するため、3時間間隔と15％の欠損データ閾値を用いて再分析を行った。
• PSPと1 auでのWindデータを比較し、乱流に基づく比較のため、相関長さ λc にスケーリングした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.2 au から 1 au の範囲で、スイッチバック発生頻度の径方向分布はどのように変化するか？
• RQ2 磁場走査周期や局所磁場平均化ウィンドウの変更に対して、観察されたスイッチバック頻度プロファイルは頑健か？
• RQ3 スイッチバック発生頻度は、太陽系内層の乱流相関スケールと相関するか？
• RQ4 スイッチバック頻度の径方向傾向は、その生成メカニズムにどのような含意を持つのか？
• RQ5 スイッチバックの待ち時間と持続時間は、太陽風乱流の特性とどのように関係するか？

主な発見

• スイッチバック発生頻度は0.2 au（40 R⊙）近辺で急激に低下し、単純な外挿により約20 R⊙で0頻度になると予想される。これはアルヴェーン臨界半径と一致する。
• 0.2 au から外側へ向かって頻度はやや緩やかに増加し、Windデータの1 auでの値に合理的に外挿できる。
• 磁場走査周期（10秒および60秒）および平均化ウィンドウ（3時間および6時間）を変更しても、径方向傾向は頑健であり、一貫性が確認された。
• スイッチバック持続時間の分布は、傾きが約 -2 のべき乗則に従い、広範なイベント長さの分布を示している。
• 相関長さ λc にスケーリングした結果、系統的な順序が示され、0.1 au近辺で頻度が0に近づき、外側へ向かって滑らかに増加する傾向が確認された。
• これらの結果は、スイッチバックが、MHD混合層不安定性などのアルヴェーン臨界半径近辺の力学的過程によって生成されるのだとする仮説を支持しており、下層部のプロセスによるものだけではない。