法崭｜何宏青：太阳风湍流2D/slab复合几何随太阳活动周期变化

论文信息：法崭，何宏青 . Solar-cycle variability of composite geometry in solar wind turbulence[J]. Astronomy & Astrophysics, 2026, 712: A86. DOI: 10.1051/0004-6361/202556095 .

太阳风湍流的谱各向异性与三维几何结构是日地空间等离子体研究的重要问题。平均磁场的存在使湍流涨落在平行与垂直方向呈现不同的能量分布，并影响能量级联与输运过程。已有研究表明，太阳风湍流的相关尺度、泰勒尺度及其各向异性指标随太阳活动性发生系统变化（Zhou et al., 2020, ApJL; Zhou & He, 2021, ApJL）。在此背景下，一个进一步的问题是：表征湍流波矢能量分配的复合几何（2D/slab）是否也随太阳活动周期变化？

为回答上述问题，中国科学院地质与地球物理研究所硕士研究生法崭与导师何宏青研究员利用Wind卫星1995年1月至2023年12月的磁场与等离子体观测数据（覆盖近三个太阳活动周期），在长时间尺度上统计研究太阳风湍流复合几何的变化特征。他们采用30分钟谱开展数据分析，并在以局地平均磁场为基准的场向坐标系下，对谱估计进行预白化/后黑化等处理。随后基于单卫星谱各向异性反演方法，分别使用谱比值检验与谱各向异性检验两种独立观测分析方法，计算太阳风湍流能量在场向（slab）分量与垂直（2D）分量之间的分配，并得到slab分量能量占比。

图1 左：太阳黑子数（灰线）和利用谱比值检验方法得到的slab成分（红点）在1995–2023年间的时间演化。右：slab成分随太阳黑子数增加的变化。slab成分与太阳黑子数之间的相关系数为0.61。图中箭头标示Gnevyshev Gap效应

结果表明，在所分析的惯性区频段内，太阳风湍流整体呈现稳定的2D分量占主导特征。对1995–2023年间观测数据的整体拟合结果显示，谱比值检验得到slab分量能量占比约为0.27，谱各向异性检验得到其值约为0.13，两者平均值约为0.20。该结果表明惯性区内约80%的湍流能量分布在2D分量中；传统的纯slab模型与观测不符，而2D/slab复合模型与观测结果一致。

图2 左：太阳黑子数（灰线）和利用谱各向异性检验方法得到的slab成分（蓝点）在1995–2023年间的演化。右：slab成分随太阳黑子数增加的变化。slab成分与太阳黑子数之间的相关系数为0.69。图中箭头标示Gnevyshev Gap效应

在此基础上，他们进一步量化了2D/slab复合几何的太阳活动周期变化性。统计结果显示，slab分量占比与太阳黑子数（表征太阳活动水平）呈正相关：谱比值检验结果的相关系数为0.61，谱各向异性检验结果的相关系数为0.69；两种检验结果的平均值与太阳黑子数的相关系数为0.76。总体而言，随着太阳活动性增强，太阳风湍流中slab分量占比呈上升趋势，但在整个1995–2023时段内2D分量始终占据主导。

图3 左：太阳黑子数（灰线）和利用谱比值检验与谱各向异性检验得到的slab成分平均值（绿点）在1995–2023年间的时间演化。右：slab成分均值随太阳黑子数增加的变化。slab成分均值与太阳黑子数之间的相关系数为0.76。图中箭头标示Gnevyshev Gap效应

对于上述统计关联，该项研究讨论认为slab分量的增强可能与太阳活动性增强阶段行星际磁场强度增大及相应阿尔芬速度升高有关。在较高阿尔芬速度条件下，具有压缩性的快模波更易受到折射影响，而剩余涨落可能更偏向阿尔芬模态，从而与观测到的slab分量占比上升相一致。

该研究基于Wind卫星近三十年观测，在长期统计意义下给出了太阳风湍流2D/slab复合几何的定量结果，并刻画了其与太阳活动水平之间的统计关联。相关结果为理解太阳风湍流三维几何及其太阳活动周期变化性提供了观测依据，并为进一步完善太阳风湍流模型及各向异性参数化过程中对太阳活动调制效应的处理提供参考，同时也为宇宙线与太阳高能粒子（SEP）传播、太阳风加热与加速等研究提供背景参照。