太阳爆发磁绳的演化特征
导 读
日冕物质抛射（简称CME）是太阳上的一种剧烈爆发现象，可能会对人类诸多高科技活动产生严重影响。研究CME的爆发过程对预报CME、保障人类的生产生活安全有着重要的意义。一直以来，人们不清楚CME的主体磁绳在爆发过程中是如何演化的。本工作通过研究CME磁绳在太阳表面的足迹及其变化定量给出了CME磁绳轴向通量的演化特征，这一结果进一步加深了我们对CME爆发过程的理解。
CME是太阳系中最大尺度的爆发活动，会向行星际空间抛出数十亿吨的磁化等离子体物质，并伴随有太阳全波段电磁波辐射的增强。当CME传播至地球附近时，有可能会影响太空航天器的安全、扰乱通讯导航，并破坏输油管道、电网等重要设施。
研究表明CME的主体部分是由一组相互缠绕的磁力线组成的（图1），这样的结构通常被称为“磁通量绳”（简称磁绳），其存在性在几十年前就已被地球附近的局地观测证实。轴向磁通量是CME磁绳的一个重要参数，它在爆发过程中的变化与CME的形成和演化密切相关。不同的CME模型对磁绳轴向通量在爆发中的变化规律通常也有着不同的预期。因此，定量研究磁绳轴向通量的演化可以有效区分和检验各种CME理论模型，加深人们对CME爆发过程的理解，为CME数值预报模型的建立提供物理基础。
图1 CME磁绳及其足点演化的示意图
近日，南京大学太阳物理团队提出了一种新的识别CME磁绳足点的方法，并将其应用于太阳动力学天文台观测到的四个CME事件，揭示了它们的磁绳轴向通量的演化规律。
计算磁绳足点区域内的磁通量可以估算CME磁绳的轴向通量。但是，如何识别磁绳的足点并非易事。在CME爆发过程中，太阳低层日冕中的等离子体会因为磁绳的抛射而变得稀薄，因此会在CME源区产生一对明显的极紫外辐射暗淡区域，也称为双子暗区，人们认为其很有可能对应了磁绳的足点区域。
另外，CME的爆发还往往伴随有剧烈的耀斑活动。在低层大气，耀斑常表现为一对“J”型的带状结构，人们将其称为耀斑带。耀斑带的演化和CME磁绳的演化息息相关，其两端的钩状部分的前沿被认为和磁绳足点的边界重合。基于以上观点，本研究提出了一种同时考虑J形耀斑带的钩状部分和双子暗区来识别CME磁绳足点的方法（图2），应用它识别了四个事件的磁绳的一端足点，进而计算了CME磁绳的轴向通量。
图2 识别磁绳足点区域方法的示意图（图A-图D展示了识别过程中使用的参考线；图E与图F展示了磁绳足点边界的识别结果）
观测结果表明，对于研究的四个事件，其磁绳轴向通量均表现出先增加后减少的趋势（图3）。更为有趣的是，四个事件的轴向通量演化与对应耀斑的软X射线流量演化基本同步但又略有差异。一方面，磁绳轴向通量和软X射线流量都表现出了先增加后减少的趋势；而磁绳轴向通量的增加更是主要发生在软X射线流量增加阶段（事件1、2和4非常明显地表现出这一特征，事件3很可能也具有相似的特征），这表明磁绳轴向通量的增加与耀斑能量释放过程直接相关。另一方面，四个事件的轴向通量峰值时刻却又都相对软X射线流量峰值时刻有着10-20分钟左右的延迟。
图3 图A-图D分别展示了事件1、2、3和4对应磁绳的轴向通量演化（蓝色散点）与对应耀斑的GOES软X射线流量演化（红色实线），蓝色和橙色竖虚线分别标示了软X射线流量和轴向通量的峰值时刻。
本研究揭示的磁绳轴向通量的变化规律可以用法国著名太阳物理学家G. Aulanier和J. Dudík近期提出的一个CME爆发磁流体力学模型解释。在他们的模拟中，CME磁绳的演化涉及三种重联过程：背景场之间的重联，背景场与磁绳的重联，以及磁绳内部的重联。这三种重联过程分别可导致磁绳轴向通量的增加，守恒和减少。观测发现的磁绳轴向通量的增加和减少，有可能分别对应了背景场之间的重联过程和磁绳内部的重联过程。
总结和展望
本研究揭示的CME磁绳轴向通量的演化规律为CME三维爆发模型的构建和完善提供了观测基础，对于理解CME的爆发过程及其与磁重联的关系有着重要的意义。但是，本研究结果的普适性还有待在未来通过分析更多事例来证实。
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https://www.sciencedirect.
com/science/article/pii/
S266667582030062X
本文内容来自Cell Press 合作期刊The Innovation 第三期发表的Report文章“The Evolution of the Toroidal Flux of CME Flux Ropes During Eruption” (投稿: 20200629；接收: 20201030；在线刊出: 20201105；DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2020.100059)
作者简介
本文的第一作者为南京大学天文与空间科学学院的博士生邢晨，通讯作者为学院的程鑫副教授，长江学者丁明德教授作为作者之一提供了重要指导。
本研究受到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和南京大学中央高校经费的共同资助。
期刊简介
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The Innovation 是由一百多位青年科学家发起成立的综合性英文期刊，与 Cell Press 合作出版，期刊内容覆盖所有自然科学。
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2020年5月21日第一期出版（点击查看）
2020年8月28日第二期出版（点击查看）