太陽爆發(fā)多米諾，觸發(fā)特大地磁暴

原文發(fā)表于《科技導報》2025 年第16 期 《 2024年5月特大地磁暴的首個太陽爆發(fā)觸發(fā)過程研究 》

由具有地磁效應(yīng)的太陽風暴引發(fā)的劇烈空間天氣已被公認為一種自然災(zāi)害，但預(yù)測這類太陽風暴及其具體影響仍存在顯著挑戰(zhàn)。2024年5月10—11日，發(fā)生了自2003年11月以來最強的地磁暴。《科技導報》邀請中國科學院紫金山天文臺暗物質(zhì)與空間天文重點實驗室研究員宿英娜等撰文，重點研究了2024年5月10—11日特大地磁暴事件的系列太陽爆發(fā)的“先鋒官”，即發(fā)生在2024年5月8日的X1.0級耀斑的觸發(fā)過程。多波段觀測顯示，該事件的太陽源區(qū)包含2個密不可分的活動區(qū)AR13668和AR13664。揭示了2024年5月特大地磁暴的首個日面爆發(fā)觸發(fā)的復雜過程，即多個耀斑和熱通道爆發(fā)的耦合，推動對極端空間天氣事件日面爆發(fā)的觸發(fā)過程的深入理解。

由具有地磁效應(yīng)的太陽風暴引發(fā)的劇烈空間天氣已被公認為一種自然災(zāi)害。研究表明，約每50~100年發(fā)生一次的極端地磁暴事件，可能引發(fā)技術(shù)系統(tǒng)的大規(guī)模癱瘓，但預(yù)測這類太陽風暴及其具體影響仍存在顯著挑戰(zhàn)。2024年5月10—11日，發(fā)生了自2003年11月以來最強的地磁暴，其Dst指數(shù)峰值達到?412 nT。此極端空間天氣事件源自2024年5月8—9日在太陽活動區(qū)13668/13664發(fā)生的4個與X級或M級太陽耀斑相關(guān)的暈狀日冕物質(zhì)拋射（CME）在傳播期間的相互作用。這本質(zhì)上是一種“完美風暴”，即多種因素共同作用，最終導致了一場異常規(guī)模的地磁暴。

采用基于物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的NF2非線性無力場外推代碼對該太陽源區(qū)開展三維磁場重構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)約90%的耀斑事件與相對自由磁能的減少有關(guān)。研究關(guān)注的爆發(fā)事件期間均存在異常強烈的磁通量浮現(xiàn)，這些爆發(fā)沿極性反轉(zhuǎn)線（PIL）在碰撞剪切作用下產(chǎn)生。

2024年4月30日出現(xiàn)在日面東邊緣的AR13664與隨后數(shù)日浮現(xiàn)的AR13668合并形成一個復雜的超級活動區(qū)，如圖1所示。在隨太陽自轉(zhuǎn)從東向西運動的過程中，該活動區(qū)連續(xù)產(chǎn)生了一系列M/X級耀斑和CME，其中包括12個X級耀斑。在本研究中，重點關(guān)注引發(fā)2024年5月特大地磁暴的太陽源區(qū)爆發(fā)事件中的首個X1.0級耀斑的觸發(fā)和演化過程。

圖 1 爆發(fā)前的太陽源區(qū)概況

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數(shù)據(jù)和儀器

美國SDO（太陽動力學天文臺）的全日面觀測覆蓋了爆發(fā)全過程：大氣成像組件（AIA）可以提供7個遠紫外（EUV）波段（94 ?、131 ?、171 ?、193 ?、211 ?、304 ?、335 ?）圖像，時間分辨率為12 s，空間分辨率1.2"；日震與磁場成像儀（HMI）提供時間分辨率為45 s的視向磁圖、多普勒速度圖和時間分辨率720 s的矢量磁圖，空間分辨率為1"。

本文用到了搭載在中國“夸父一號”（ASO?S）衛(wèi)星上的全日面矢量磁像儀（FMG）、萊曼阿爾法太陽望遠鏡（LST）和太陽硬X射線成像儀（HXI）的觀測數(shù)據(jù)。其中，F(xiàn)MG利用磁敏感線Fe I 5234.19 ?，通過斯托克斯偏振測量獲取全日面光球磁場數(shù)據(jù)，像素大小為0.55"，時間分辨率為2 min。全日面成像儀（LST/SDI）提供Lyα波段的全日面成像，像素大小為0.5"，空間分辨率為9.5"，時間分辨率分別可達1 min（常規(guī)模式）和6 s（爆發(fā)模式）。HXI是基于傅立葉空間調(diào)制的硬X射線成像儀，其空間分辨率可達3.1"，時間分辨率可達4 s（常規(guī)模式）。Hα全日面太陽圖像源自中國“羲和號”（CHASE）衛(wèi)星上搭載的Hα成像光譜儀（HIS），時間分辨率達1 min，每個像素為0.52"。

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觀測結(jié)果

2.1 太陽爆發(fā)及源區(qū)概況

圖1展示了耀斑前活動區(qū)的多波段觀測圖像。ASO?S/FMG和SDO/HMI的視向光球磁圖（圖 1（a）~（c））顯示源區(qū)磁場由2個活動區(qū)（AR13668和AR13664）的多對磁極構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)十分復雜。對比幾幅磁圖可以看出，爆發(fā)前1天內(nèi)，太陽源區(qū)尤其是核心活動區(qū)AR13664存在強烈的磁浮現(xiàn)過程。活動核心區(qū)存在多組熱冕環(huán)（圖 1（d）），其足點表現(xiàn)為多條亮帶（圖 1（e）），相應(yīng)的CHASE衛(wèi)星的Hα觀測呈現(xiàn)出多個暗條（圖 1（f））。

圖2（a）中的GOES衛(wèi)星軟X射線光變曲線顯示，研究關(guān)注的X1.0級耀斑峰值在05:09 UT。研究發(fā)現(xiàn)，在此之前1.5 h內(nèi)發(fā)生的M1.8級（峰值時刻03:27 UT）和M3.6級（峰值時刻04:30 UT）耀斑均與該X1.0級耀斑密切相關(guān)。AIA 131 ?觀測顯示爆發(fā)前活動核心區(qū)存在4組高度剪切的熱冕環(huán)（圖 2（b）中的L1、L2、L3、L4），與CHASE/Hα觀測圖像（圖 2（c））中的4個暗條（F1、F2、F3、F4）對應(yīng)。爆發(fā)前的4組熱冕環(huán)在爆發(fā)后演化為一組拱形冕環(huán)（圖 2（d））。而與之對應(yīng)的4個暗條在爆發(fā)前后并無顯著變化，如 圖 2中的CHASE/Hα在爆發(fā)前后的圖像（圖 2（c）和（e））所示。

圖 2 爆發(fā)概況總覽

2.2 3個耀斑和2個熱通道的爆發(fā)

接下來展示整個爆發(fā)的演化過程。在03:02 UT，主體位于活動區(qū)AR 13668的熱通道HC1開始出現(xiàn)，如圖3第1行的粉色虛線所示。隨后，該熱通道緩慢上升并不斷擴張，如圖3中第1行的131 ?序列圖像所示。熱通道HC1的上升發(fā)生在第1個M1.8級耀斑期間，在131 ?和304 ?圖像中分別出現(xiàn)增亮的冕環(huán)和耀斑帶（圖3）。該耀斑期間冕環(huán)和耀斑帶最亮的區(qū)域位于活動區(qū)13664，與HXI在10~20 keV的源（圖3（e）和（f））在空間位置上一致。

圖 3 熱通道 HC1 的演化

熱通道HC1上升一段時間后，原冕環(huán)L3開始顯著增亮，隨后形成一個跨越L3的新熱通道HC2，如圖4中第1行的AIA 131 ?序列圖像所示。相應(yīng)的304 ?序列圖像顯示，增亮的原冕環(huán)L3區(qū)出現(xiàn)顯著增亮的亮帶（圖4第2行），與HXI 20~50 keV波段探測到硬X射線源空間位置一致（圖4（f））。熱通道HC2的形成過程發(fā)生在M3.6耀斑期間。

圖 4 熱通道 HC2 的形成

熱通道HC2形成之后便迅速開始快速上升，在與位于其上方的熱通道HC1合并后，形成一個跨越2個活動區(qū)的大尺度熱通道，最后一起拋射出去，如圖5第1行（131 ?）和第2行（131 ?差分）的時間序列圖像所示。合并后的熱通道在后續(xù)上升過程中不斷向西部擴張，對應(yīng)AIA 304 ?和LST/SDI觀測到的亮點的滑動（圖5（k）和（o），綠/ 粉色帶箭頭的虛線所示）。2個熱通道的合并和上升過程發(fā)生在X1.0級耀斑的上升相，其間原冕環(huán)L3處的增亮一直最強，而AR13668和AR13664的其他區(qū)域也呈現(xiàn)出不同強度的亮環(huán)（圖5的第1、2行）和亮帶（圖5的第3、4行）。熱通道成功拋射出去后，X1.0級耀斑達到峰值（05:09 UT）。

圖 5 AIA 131 ?、131 ? 差分、304 ?和 LST/SDI 圖像中熱通道 HC1 和 HC2 的爆發(fā)過程

為了更好地分析2個熱通道的爆發(fā)過程，沿圖5（a）中2個熱通道的爆發(fā)方向（S1和S2）做了94 ?和131 ?的觀測時距圖，如圖6所示。圖6中顯示熱通道HC1自03:00 UT開始上升（速度：50.5 km/s）直至03:40 UT左右，之后上升速度變得極其緩慢。大約1 h后，熱通道HC2形成后便快速上升（速度：119.9 km/s），沒有經(jīng)歷緩慢上升階段，隨后位于其上方的熱通道HC1也進入快速上升階段（速度：85.4 km/s）。從圖6中可以看出熱通道HC2快速上升開始時刻比熱通道HC1稍早，且HC2上升速度更快。

圖 6 爆發(fā)熱通道的觀測時距圖

2.3 爆發(fā)前的源區(qū)磁場演化

X1.0級耀斑期間，最亮的冕環(huán)和耀斑帶對應(yīng)的光球磁場是一對緊密靠近的磁極（P1, N1），如圖7（a）中藍框所示。這對磁極之間的矢量磁場呈現(xiàn)出高度剪切特征，即橫場方向（紅藍箭頭）幾乎與兩者之間的極性反轉(zhuǎn)線平行，如圖7（b）中局部放大的光球矢量磁圖。Wang等指出這對磁極之間存在碰撞剪切。圖7（b）顯示磁極（P1, N1）西部的一對磁極（P2, N2）也是高度剪切的。光球磁場隨時間的長期演化表明，磁極N1一直在向西部快速移動，不斷擠壓P1。磁極N2也在不斷向西快速移動，而磁極P2主體呈現(xiàn)出順時針旋轉(zhuǎn)運動，靠近磁中性線的部分呈現(xiàn)出向東運動的趨勢，如圖7（c）中的光球速度圖顯示。

圖7（a）中藍框區(qū)域中的正負磁通量隨時間的演化曲線（圖7（d））表明，在3個耀斑期間的大部分時間里，N1和P1的極性反轉(zhuǎn)線附近區(qū)域內(nèi)的磁通量（尤其是負磁通量）在增大，而熱通道HC2形成前10 min內(nèi)出現(xiàn)短時間的顯著磁對消。負磁通量的增大主要是因為磁極N1的向西運動導致更多負磁通量進入藍框區(qū)域，而10 min左右短時間的顯著對消與熱通道的形成緊密相關(guān)。

圖 7 爆發(fā)前的源區(qū)磁場分布及演化

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非線性無力場重建和討論

了解日冕磁場的三維結(jié)構(gòu)是理解太陽爆發(fā)觸發(fā)機制的前提。由于觀測技術(shù)限制，目前尚無法對日冕磁場進行常規(guī)直接觀測，因此發(fā)展了多種利用光球磁場來重建日冕磁場的方法。為了進一步研究熱通道HC2的形成和X1.0級耀斑的觸發(fā)，采用“最優(yōu)化法”，以03:12 UT的HMI光球矢量磁場為邊界，構(gòu)建了該活動區(qū)的三維非線性無力場模型。

圖8展示了AIA 131 ?的觀測和非線性無力場模型的對比。觀測中的4組亮冕環(huán)L1~L4（圖8（a））與模型中的4組磁力線F1~F4（圖8（b））對應(yīng)，這些磁力線還與圖2中CHASE/Hα圖像的4個暗條的位置和形狀符合較好。而觀測的熱通道HC1與模型中對應(yīng)的磁場結(jié)構(gòu)在形態(tài)上有些差別。圖8（c）顯示HC1和F1為磁扭纏數(shù)大于1的磁通量繩結(jié)構(gòu)，而其他3組磁力線的磁扭纏數(shù)均小于1，對應(yīng)弱扭纏的剪切磁拱。

圖 8 觀測和非線性無力場模型對比

圖9展示了熱通道HC2形成前和爆發(fā)后該活動區(qū)的非線性無力場模型的對比。從圖中可以看出，HC2形成前后，磁拱F2和F4發(fā)生顯著變化，即HC2形成后同一位置可追蹤的2組磁力線都減少了。具體而言，圖9中的局部放大磁扭纏分布圖顯示扭纏數(shù)大于0.7的面積減小了。模型中磁拱F2和F4中磁力線的減少，再結(jié)合熱通道HC2形成的觀測及其形成前10 min的磁極P1和N1之間的磁對消，推測熱通道HC2的形成是源自光球磁對消引發(fā)的剪切磁拱F2和F4之間的韁繩截斷（tether?cutting）磁重聯(lián)。

圖 9 熱通道 HC2 形成前和爆發(fā)后，活動區(qū) AR13664 非線性無力場模型的對比

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結(jié)論

2024年5月10—11日發(fā)生了自2003年11月以來最強的地磁暴事件，Dst峰值指數(shù)達到?412 nT。該極端空間天氣事件的太陽爆發(fā)源頭為AR13668和AR13664發(fā)生的一系列大耀斑和暈狀CME。本文采用多波段觀測和非線性無力場外推，重點分析其中的首個X1.0級耀斑的觸發(fā)過程。

該事件的太陽爆發(fā)源區(qū)的磁場結(jié)構(gòu)和2024年5月8日X1.0級耀斑的觸發(fā)過程均十分復雜。爆發(fā)前核心區(qū)存在多個暗條和亮的熱冕環(huán)。在X1.0級耀斑之前1.5 h內(nèi)發(fā)生的2個M級耀斑和2個熱通道的爆發(fā)均與該耀斑的觸發(fā)密切相關(guān)，然而活動區(qū)的暗條均未發(fā)生顯著變化。第1個M級耀斑伴隨熱通道HC1的出現(xiàn)和爆發(fā)，而該熱通道在以50.5 km/s的速度上升到一定高度后，便進入了長達1 h的極其緩慢的上升階段。接下來，碰撞剪切極性反轉(zhuǎn)線附近的光球磁對消引發(fā)的韁繩截斷磁重聯(lián)導致熱通道HC2的形成，其形成過程伴隨第2個M級耀斑。有趣的是，熱通道HC2形成之后，并未經(jīng)歷常見的緩慢上升階段，而是迅速以119.9 km/s的速度直接進入快速上升階段，隨后X1.0級耀斑開始。HC2的爆發(fā)又促進了位于其上方的熱通道HC1的快速（85.4 km/s）上升，最終2個熱通道合并為一體成功拋射出去，并產(chǎn)生一個速度為530 km/s的暈狀CME。

研究表明，該特大地磁暴事件由多個大耀斑及伴隨的暈狀CME相互作用所致。其中的首個X1.0級耀斑的觸發(fā)伴隨2個M級耀斑和2個熱通道的爆發(fā)。發(fā)生在第1個M級耀斑期間的熱通道HC1的爆發(fā)，為第2個M級耀斑期間熱通道HC2形成后迅速進入快速上升階段提供了有利條件，而HC2的快速上升又進一步推進HC1的快速爆發(fā)和X1.0級耀斑的開始。本研究揭示了特大地磁暴源區(qū)爆發(fā)的復雜性，展示了多個耀斑和磁繩的相繼爆發(fā)與相互作用可能是引起這次“完美風暴”的首個X1.0級耀斑的原因。

本文作者：宿英娜，歐雨迪，張瀟文，萬雙峰，滕偉霖，季海生

作者簡介：宿英娜，中國科學院紫金山天文臺暗物質(zhì)與空間天文重點實驗室，中國科學技術(shù)大學天文與空間科學學院，研究員，研究方向為太陽物理。

文章來 源 ： 宿英娜, 歐雨迪, 張瀟文，等. 2024年5月特大地磁暴的首個太陽爆發(fā)觸發(fā)過程研究[J]. 科技導報, 2025, 43(16): 105-113.

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