科研動(dòng)態(tài) | 空間中心科研人員揭示日冕物質(zhì)拋射在日冕中如何“轉(zhuǎn)向”

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日冕物質(zhì)拋射（CME）是由于太陽(yáng)大氣中劇烈爆發(fā)所引起的大尺度等離子體和磁場(chǎng)的拋射現(xiàn)象。它們的速度最高可達(dá)數(shù)千公里每秒，具有以億噸計(jì)的質(zhì)量，是空間天氣的重要源頭。當(dāng)一個(gè)CME到達(dá)地球時(shí)，會(huì)擾動(dòng)地球磁場(chǎng)，并向磁層注入大量能量和高能粒子，引發(fā)地磁暴。研究CME的觸發(fā)和演化是空間天氣和太陽(yáng)物理研究的重要課題。

在從日冕到行星際空間的傳播中，CME可能會(huì)經(jīng)歷多個(gè)物理過(guò)程，包括速度變化、與其他CME碰撞、與太陽(yáng)風(fēng)相互作用，以及繞其傳播方向的旋轉(zhuǎn)等。這些過(guò)程可以重塑CME并改變其空間天氣效應(yīng)。此外，CME的傳播方向也是決定其空間天氣效應(yīng)的重要因素，因?yàn)樗鼪Q定了CME能否以及哪一部分會(huì)到達(dá)地球。然而，相當(dāng)一部分CME在日冕中的演化早期具有非徑向傳播的過(guò)程，然后轉(zhuǎn)為徑向傳播并離開(kāi)日冕，導(dǎo)致其最終的傳播方向相對(duì)于其源區(qū)位置發(fā)生顯著改變。在日冕中從非徑向轉(zhuǎn)為徑向傳播是這類CME演化的重要過(guò)程，但目前對(duì)這一現(xiàn)象的具體過(guò)程尚缺乏深入研究和全面認(rèn)識(shí)。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱“空間中心”）太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研人員胡會(huì)東博士及其合作者，通過(guò)研究來(lái)自同一太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)的兩個(gè)大尺度CME的側(cè)向形變，首次詳細(xì)揭示了CME在日冕中從非徑向傳播轉(zhuǎn)為徑向傳播的過(guò)程。

這兩個(gè)CME分別產(chǎn)生于2023年3月3日和4日，來(lái)自太陽(yáng)的西邊緣。在傳播早期，這兩個(gè)CME都位于一組大致平行于CME磁流繩軸向的磁環(huán)系統(tǒng)下方，并沿著幾乎平行于日面的方向進(jìn)行非徑向運(yùn)動(dòng)（圖1(a)-(c)箭頭所示）。在非徑向傳播階段，這兩個(gè)CME的上側(cè)都向高日冕凸出，使CME的結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向形變（圖1(d)-(h)右向白色箭頭所示），最終導(dǎo)致其傳播方向轉(zhuǎn)為徑向，且最終的方向距離爆發(fā)位置約25°（圖1(i)）。在傳播方向轉(zhuǎn)變之后，CME在非徑向階段的上側(cè)演變?yōu)閺较騻鞑ルA段的前沿。動(dòng)畫(huà)1展示了該CME從非徑向轉(zhuǎn)為徑向傳播的完整過(guò)程。

圖1. 多波段觀測(cè)的2023年3月3日CME從非徑向轉(zhuǎn)為徑向傳播的過(guò)程。(a)-(c) 太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)/大氣成像儀（SDO/AIA）304 ?和我國(guó)自主太陽(yáng)上過(guò)渡區(qū)成像儀（SUTRI）465 ?觀測(cè)到的沿著非徑向運(yùn)動(dòng)的暗條；(d)-(h) GOES衛(wèi)星太陽(yáng)極紫外成像儀（SUVI）284 ?觀測(cè)到CME通過(guò)側(cè)向形變從非徑向傳播轉(zhuǎn)為徑向傳播；(i) 太陽(yáng)和日球觀測(cè)臺(tái)（SOHO）/LASCO C2日冕儀觀測(cè)到CME最終沿徑向傳播。

動(dòng)畫(huà)1. 由SDO/AIA 304 ?、GOES/SUVI 284 ?和SOHO/LASCO C2觀測(cè)數(shù)據(jù)制作的動(dòng)畫(huà)，展示了2023年3月3日CME從非徑向傳播轉(zhuǎn)為徑向傳播的過(guò)程。

位于CME上方的磁環(huán)大致平行于磁流繩的軸向，因而無(wú)法束縛CME磁流繩的主體結(jié)構(gòu)；但這些磁環(huán)基本垂直于磁流繩的腿部磁場(chǎng)，其磁張力可以作用于腿部，進(jìn)而限制CME部分結(jié)構(gòu)在傳播方向轉(zhuǎn)變過(guò)程中的側(cè)向（徑向）膨脹。同時(shí)，CME結(jié)構(gòu)與上方磁環(huán)之間的相互作用，引發(fā)了磁環(huán)的振蕩（圖2）。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，其中一個(gè)CME暗條的主體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)變滯后于CME整體結(jié)構(gòu)傳播方向的轉(zhuǎn)變，最終導(dǎo)致該暗條的主體部分偏移至CME結(jié)構(gòu)的南部，并遠(yuǎn)離黃道面，這反映了CME觀測(cè)特征的復(fù)雜性。例如，CME的不同部分或結(jié)構(gòu)具有不同的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，或者在黃道面附近進(jìn)行的就地觀測(cè)可能無(wú)法探測(cè)到該CME的暗條物質(zhì)等。

圖2. (a)+(d) CME源區(qū)上方的磁環(huán)系統(tǒng)（藍(lán)綠色曲線）。(b)+(e) SDO/AIA 171 ?觀測(cè)到兩個(gè)CME在早期沿非徑向傳播的形態(tài)。(c)+(f) 顯示CME與磁環(huán)相互作用引發(fā)磁環(huán)振蕩的時(shí)間-距離圖。

本研究首次詳細(xì)揭示了CME在低日冕的側(cè)向形變及其對(duì)CME從非徑向傳播轉(zhuǎn)為徑向傳播過(guò)程的作用，對(duì)全面認(rèn)識(shí)CME的完整演化圖像具有重要意義。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《天體物理學(xué)報(bào)》（The Astrophysical Journal）。論文的作者分別是（未按署名順序）：空間中心胡會(huì)東、焦怡明、王瑞和楊利平，湖南工商大學(xué)陳沖，航天工程大學(xué)朱蓓，和中國(guó)氣象局趙曉威。該工作得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)基金的支持。

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Hu H, Chen C, Jiao Y, Zhu B, Wang R, Zhao X, Yang L. Lateral Deformation of Large-Scale Coronal Mass Ejections During the Transition from Nonradial to Radial Propagation[J]. The Astrophysical Journal, 2026, 997(2): 303.

DOI:

https://doi.org/10.3847/1538-4357/ae267e

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