[论文解读] Tracking the Evolution of Plasma Instabilities from the Prominence-Corona Transition Region into Interplanetary Space with Total Solar Eclipse and WISPR/PSP White Light Images

Shadia R. Habbal, Shaheda Begum Shaik+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2026

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 0

一句话总结

本文将日全食白光图像与 WISPR/PSP 白光数据结合起来，追踪来自 PCTR 的涡环、Kelvin-Helmholtz 不稳定性和 CME，并分析它们的大小-距离演化与速度。

ABSTRACT

High-resolution total solar eclipse (TSE) white light (WL) images are the only observations at present to capture coronal structures over an uninterrupted field of view (FoV) of at least 10 solar radii (Rs) starting from the solar limb. They were the first to report the presence of vortex rings originating within the prominence-corona transition region (PCTR). They also captured CMEs and Kelvin-Helmholtz (KH) instabilities at different phases of their evolution. While the evolution of CMEs and KH waves is relatively well-documented, little is known about the survivability of vortex rings beyond the FoV of the TSE images. In this study, we use seven TSE images and non-contemporaneous WL images acquired by the Wide-Field Imager for Parker Solar PRobe (WISPR) to track the spatial evolution of vortex rings, KH waves, and CMEs. The size trend versus radial distance for vortex rings and KH waves are found to be shallower below 1.5 Rs than beyond 3 Rs, while the CMEs observed beyond 3 Rs show a unique slope. The WISPR time series yield an average speed of 249.02 +/- 25.3 km/s for the vortex rings beyond 3 Rs, that when combined with their size yields a speed of 19.39 +/- 3.20 km/s below 1 Rs. These values are remarkably consistent with the acceleration profile of the slow solar wind over the same distance. This study provides strong empirical evidence that vortex rings, which originate at the PCTR with complex magnetic structures, do not dissipate as they expand away from the Sun with the solar wind.

研究动机与目标

• 量化起源于 prominences–corona 转换区 (PCTR) 的等离子体不稳定性向 corona 冀至日际空间传播的过程。
• 评估涡环、KH 波及 CME 在远离太阳后是否膨胀并存活。
• 将高分辨率的日食观测与 WISPR/PSP 成像衔接起来，以追踪不同太阳活动周期阶段的演化。

提出的方法

• 分析七张日全食 (TSE) 白光图像，覆盖太阳极小期至极大期，以识别涡环、KH 波与 CME。
• 对涡环尺寸进行椭圆拟合，并对 TSE 图像中的 KH 波及 CME 包络采用边缘/边界基准的度量。
• 使用 Bandpass Frame Filtering (BFF) 处理 WISPR/PSP 数据，以增强细尺度结构，并在假定天空平面的前提下估算特征尺寸与径向距离。
• 将 TSE 与 WISPR 特征进行比较，以评估从近太阳到内层日球层的结构连续性。
• 通过将日食年分布视为瞬时膨胀快照并推导尺寸–距离趋势来推断径向演化。
• 从 WISPR 时间序列计算涡环的下限速度，并与在相近距离的太阳风速度进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 起源于 PCTR 的涡环、KH 不稳定性和 CME 在向外传播时是否持续存在并演化？
• RQ2 这些不稳定性的观测尺寸–距离关系如何，WISPR 测量与 TSE 测量有何对比？
• RQ3 涡环的演化是否能与远距离的慢太阳风加速剖面相关联？

主要发现

• 在 TSE 图像中，涡环在 prominences 附近普遍存在，且随着距离的增加呈现出在近太阳与更远距离两种不同的膨胀规律。
• KH 波不稳定性在 CME 侧翼及 prominence 空腔中频繁观测到，出现在 TSE 与 WISPR 数据中。
• CME 的尺寸随距离的膨胀速度较涡环和 KH 波要快（大致多一个数量级）。
• WISPR 观测揭示的涡环形状与 TSE 的对应物相似，常具有中心腔与明亮边界，时间序列跨越数小时。
• 五组 WISPR 涡环簇的平面视速度平均约为 249 km/s，可作为在 10 Rs 左右等效的 PSP 太阳风速度的下限估计。
• 起源于 PCTR 的涡环似乎在慢太阳风中大体未发生耗散地传播。