[论文解读] Small-scale magnetic flux ropes and their properties based on in-situ measurements from Parker Solar Probe

Yu Chen, Qiang Hu|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 47被引用 27

一句话总结

本研究利用帕克太阳探测器的原位测量数据，在其前六次近日点飞越过程中检测到近6,000个小型磁通量绳（SFRs），采用扩展的基于Grad-Shafranov的算法，识别出持续时间短至10秒、尺度小至10⁻⁶ au的结构。主要发现包括：动态SFRs普遍存在沿磁场方向的等离子体流动、强阿尔芬性，以及与磁性开关反转变换重叠的构型，表明低日冕中的互换磁重连是这些类磁通量绳结构的常见起源机制。

ABSTRACT

We report small-scale magnetic flux ropes via the Parker Solar Probe in situ measurements during the first six encounters and present additional analyses to supplement our prior work in Chen et al. 2021. These flux ropes are detected by the Grad-Shafranov-based algorithm with the duration and scale size ranging from 10 seconds to $\lesssim$1 hour and from a few hundred kilometers to 10$^{-3}$ au, respectively. They include both static structures and those with significant field-aligned plasma flows. Most structures tend to possess large cross helicity, while the residual energy distributes in wide ranges. We find that these dynamic flux ropes mostly propagate anti-sunward, with no preferential sign of magnetic helicity. The magnetic flux function follows a power law and is proportional to scale size. We also present case studies showing reconstructed two-dimensional (2D) configurations, which confirm that the static and dynamic flux ropes have the common configuration of spiral magnetic field lines (also streamlines). Moreover, the existence of such events hints at the interchange reconnection as a possible mechanism to generate flux rope-like structures near the Sun. Lastly, we summarize the major findings and discuss the possible correlation between these flux rope-like structures and turbulence due to the process of local Alfvenic alignment.

研究动机与目标

• 利用帕克太阳探测器的原位测量数据，在内日球层中识别并表征小型磁通量绳（SFRs）。
• 将基于Grad-Shafranov的检测算法扩展至更短的时间尺度（最低达10秒）和更小的空间尺度（最低达10⁻⁶ au），以靠近太阳区域为对象。
• 研究SFRs的磁性和等离子体特性，包括阿尔芬性、交叉螺旋度、剩余能量和磁螺旋度。
• 确定具有沿磁场方向流动的动态SFRs是否与磁通量绳构型一致，以及其与磁性开关反转变换的关系。
• 评估湍流和局部阿尔芬对齐在塑造观测到的类磁通量绳结构中的作用。

提出的方法

• 将扩展的Grad-Shafranov（GS）重构算法应用于帕克太阳探测器的原位磁场和等离子体数据。
• 基于螺旋形磁场线构型检测SFRs，通过闭合的横向磁场线和单极轴向磁场进行验证。
• 利用归一化交叉螺旋度和Walén斜率评估阿尔芬性和等离子体流动与磁场的对齐程度。
• 对持续时间、尺度大小、单位长度的极向磁通量以及相对于径向-切向平面的取向角进行统计分析。
• 对选定事件进行二维和三维重构，以可视化螺旋形磁场线结构（流线），并确认磁通量绳形态。
• 将SFR区间与磁性开关反转变换事件进行交叉比对，以识别重叠特征并确定共享的形成机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用帕克太阳探测器数据在内日球层中检测到的小型磁通量绳（SFRs）具有怎样的统计特性？
• RQ2 具有沿磁场方向等离子体流动的动态SFRs与静态SFRs在磁场构型、阿尔芬性及螺旋度方面有何差异？
• RQ3 SFRs与磁性开关反转变换重叠的程度如何？这对其形成机制有何启示？
• RQ4 单位长度的极向磁通量|Am|与SFRs的尺度大小或持续时间之间是否存在相关性？
• RQ5 观测到的类磁通量绳结构能否由湍流驱动过程（如局部阿尔芬对齐）解释？

主要发现

• 共检测到近6,000个小型磁通量绳，持续时间从10秒到3,697秒不等，空间尺度小至10⁻⁶ au。
• 大多数动态SFRs表现出中等至高强度的阿尔芬性（⟨MA⟩ = 0.68），并朝远离太阳方向传播，表明存在持续的沿磁场方向等离子体流动。
• 归一化交叉螺旋度接近1，表明在大多数事件中，磁场与等离子体速度之间存在强烈相关性。
• 磁螺旋度无明显符号偏好，表明右旋和左旋扭曲的磁通量绳出现频率相当。
• 单位长度的极向磁通量|Am|服从幂律分布，并与持续时间及尺度大小均呈比例关系。
• SFRs与磁性开关反转变换事件在持续时间短至10秒时仍存在重叠，证实二者具有共同起源，可能源于低日冕中的互换磁重连。