[论文解读] Tracking solar wind flows from rapidly varying viewpoints by the Wide-field Imager for Parker Solar Probe

A. Nindos, S. Patsourakos+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2020

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 62被引用 13

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，利用帕克太阳探测器宽视场成像仪（WISPR）的快速变化视角，追踪瞬态太阳风流——如日冕物质抛射（CMEs）和亮带团块（streamer blobs）——的运动。通过在第四次飞越期间构建J-maps、R-maps和Lat-maps，作者成功识别出每天4–5个亮带团块，其角速度为2.28–2.49°/小时，径向速度为150–300 km/s，该方法经STEREO-A数据验证，并揭示了亮带的分叉结构。

ABSTRACT

Aims. Our goal is to develop methodologies to seamlessly track transient solar wind flows viewed by coronagraphs or heliospheric imagers from rapidly varying viewpoints. Methods. We constructed maps of intensity versus time and elongation (J-maps) from Parker Solar Probe (PSP) Wide-field Imager (WISPR) observations during the fourth encounter of PSP. From the J-map, we built an intensity on impact-radius-on-Thomson-surface map (R-map). Finally, we constructed a latitudinal intensity versus time map (Lat-map). Our methodology satisfactorily addresses the challenges associated with the construction of such maps from data taken from rapidly varying viewpoint observations. Results. Our WISPR J-map exhibits several tracks, corresponding to transient solar wind flows ranging from a coronal mass ejection down to streamer blobs. The latter occurrence rate is about 4–5 per day, which is similar to the occurrence rate in a J-map made from ~1 AU data obtained with the Heliospheric Imager-1 (HI-1) on board the Solar Terrestrial Relations Observatory Ahead spacecraft (STEREO-A). STEREO-A was radially aligned with PSP during the study period. The WISPR J-map tracks correspond to angular speeds of 2.28 ± 0.7°/h (2.49 ± 0.95°/h), for linear (quadratic) time-elongation fittings, and radial speeds of about 150–300 km s−1. The analysis of the Lat-map reveals a bifurcating streamer, which implies that PSP was flying through a slightly folded streamer during perihelion. Conclusions. We developed a framework to systematically capture and characterize transient solar wind flows from space platforms with rapidly varying vantage points. The methodology can be applied to PSP WISPR observations as well as to upcoming observations from instruments on board the Solar Orbiter mission.

研究动机与目标

• 开发一个稳健的框架，用于分析具有快速变化观测点的空间平台（如帕克太阳探测器）的瞬态太阳风流。
• 解决由于航天器轨道运动导致视线（LoS）快速变化时，对日冕和日球层图像的解释挑战。
• 利用从WISPR观测中导出的强度图，系统表征瞬态太阳风结构（包括CMEs和亮带团块）。
• 在准径向对齐期间，通过与STEREO-A的既定数据对比，验证该方法的一致性和可靠性。
• 将时间-距离映射技术（J-maps、R-maps、Lat-maps）的应用扩展到原位太阳日冕观测，为未来的Solar Orbiter任务做好准备。

提出的方法

• 通过绘制强度随时间和张角的变化，从WISPR观测中构建J-maps，以可视化太阳周围角距离处的瞬态流轨迹。
• 通过将J-map投影到汤姆孙面，将其转换为R-map，将强度表示为撞击半径和时间的函数。
• 通过沿航天器轨道平面积分强度，生成Lat-map，以捕捉纬度相关的强度变化，研究亮带结构及其演化。
• 对时间-张角轨迹应用线性和二次拟合，推导出瞬态流的角速度和径向速度。
• 通过图像序列的视觉检查和与原始J-map的对比，验证该方法，确保特征的一致性。
• 在重叠观测期间，与STEREO-A HI-1 J-maps交叉验证结果，确认轨迹发生率和运动学的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何从帕克太阳探测器等快速变化视角中可靠地构建时间-距离图（J-maps）？
• RQ2 WISPR观测中亮带团块的发生率是多少？与STEREO-A在1 AU处的观测相比如何？
• RQ3 从WISPR J-maps中可推导出的瞬态太阳风流的运动学特性（角速度和径向速度）有哪些？
• RQ4 Lat-map中的强度变化如何揭示飞越期间亮带的三维结构及其演化？
• RQ5 WISPR观测中更短的视线长度与1 AU仪器相比，是否导致可检测的瞬态特征更少或更多？

主要发现

• WISPR J-map显示每天可检测到4–5个瞬态太阳风流（包括亮带团块），与使用STEREO-A HI-1在1 AU处观测到的发生率一致。
• 检测到的流体角速度范围为2.28 ± 0.7°/小时（线性拟合）至2.49 ± 0.95°/小时（二次拟合），对应径向速度为150–300 km/s。
• R-map分析确认了150–300 km/s的径向速度，与先前对慢速太阳风团块和CMEs的测量结果一致。
• Lat-map显示出亮带分叉的证据，表明帕克太阳探测器在近日点飞越时穿过了略微折叠的亮带结构。
• 尽管WISPR的视线更短，但其可检测轨迹数（每天4–5条）与STEREO-A HI-1数据相当，表明团块生成可能具有物理一致性，或视线几何与结构重叠之间存在复杂相互作用。
• 该方法成功缓解了快速变化视角带来的挑战，并能够清晰识别微弱特征，包括部分流迹中的次级结构，这些可能代表嵌入的密度结构。