科研動態 | 空間中心科研人員揭示日冕物質拋射在日冕中如何“轉向”

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日冕物質拋射（CME）是由于太陽大氣中劇烈爆發所引起的大尺度等離子體和磁場的拋射現象。它們的速度最高可達數千公里每秒，具有以億噸計的質量，是空間天氣的重要源頭。當一個CME到達地球時，會擾動地球磁場，并向磁層注入大量能量和高能粒子，引發地磁暴。研究CME的觸發和演化是空間天氣和太陽物理研究的重要課題。

在從日冕到行星際空間的傳播中，CME可能會經歷多個物理過程，包括速度變化、與其他CME碰撞、與太陽風相互作用，以及繞其傳播方向的旋轉等。這些過程可以重塑CME并改變其空間天氣效應。此外，CME的傳播方向也是決定其空間天氣效應的重要因素，因為它決定了CME能否以及哪一部分會到達地球。然而，相當一部分CME在日冕中的演化早期具有非徑向傳播的過程，然后轉為徑向傳播并離開日冕，導致其最終的傳播方向相對于其源區位置發生顯著改變。在日冕中從非徑向轉為徑向傳播是這類CME演化的重要過程，但目前對這一現象的具體過程尚缺乏深入研究和全面認識。

中國科學院國家空間科學中心（以下簡稱“空間中心”）太陽活動與空間天氣全國重點實驗室科研人員胡會東博士及其合作者，通過研究來自同一太陽活動區的兩個大尺度CME的側向形變，首次詳細揭示了CME在日冕中從非徑向傳播轉為徑向傳播的過程。

這兩個CME分別產生于2023年3月3日和4日，來自太陽的西邊緣。在傳播早期，這兩個CME都位于一組大致平行于CME磁流繩軸向的磁環系統下方，并沿著幾乎平行于日面的方向進行非徑向運動（圖1(a)-(c)箭頭所示）。在非徑向傳播階段，這兩個CME的上側都向高日冕凸出，使CME的結構發生側向形變（圖1(d)-(h)右向白色箭頭所示），最終導致其傳播方向轉為徑向，且最終的方向距離爆發位置約25°（圖1(i)）。在傳播方向轉變之后，CME在非徑向階段的上側演變為徑向傳播階段的前沿。動畫1展示了該CME從非徑向轉為徑向傳播的完整過程。

圖1. 多波段觀測的2023年3月3日CME從非徑向轉為徑向傳播的過程。(a)-(c) 太陽動力學天文臺/大氣成像儀（SDO/AIA）304 ?和我國自主太陽上過渡區成像儀（SUTRI）465 ?觀測到的沿著非徑向運動的暗條；(d)-(h) GOES衛星太陽極紫外成像儀（SUVI）284 ?觀測到CME通過側向形變從非徑向傳播轉為徑向傳播；(i) 太陽和日球觀測臺（SOHO）/LASCO C2日冕儀觀測到CME最終沿徑向傳播。

動畫1. 由SDO/AIA 304 ?、GOES/SUVI 284 ?和SOHO/LASCO C2觀測數據制作的動畫，展示了2023年3月3日CME從非徑向傳播轉為徑向傳播的過程。

位于CME上方的磁環大致平行于磁流繩的軸向，因而無法束縛CME磁流繩的主體結構；但這些磁環基本垂直于磁流繩的腿部磁場，其磁張力可以作用于腿部，進而限制CME部分結構在傳播方向轉變過程中的側向（徑向）膨脹。同時，CME結構與上方磁環之間的相互作用，引發了磁環的振蕩（圖2）。此外，研究還發現，其中一個CME暗條的主體結構的運動方向轉變滯后于CME整體結構傳播方向的轉變，最終導致該暗條的主體部分偏移至CME結構的南部，并遠離黃道面，這反映了CME觀測特征的復雜性。例如，CME的不同部分或結構具有不同的運動學特征，或者在黃道面附近進行的就地觀測可能無法探測到該CME的暗條物質等。

圖2. (a)+(d) CME源區上方的磁環系統（藍綠色曲線）。(b)+(e) SDO/AIA 171 ?觀測到兩個CME在早期沿非徑向傳播的形態。(c)+(f) 顯示CME與磁環相互作用引發磁環振蕩的時間-距離圖。

本研究首次詳細揭示了CME在低日冕的側向形變及其對CME從非徑向傳播轉為徑向傳播過程的作用，對全面認識CME的完整演化圖像具有重要意義。相關結果發表于國際學術期刊《天體物理學報》（The Astrophysical Journal）。論文的作者分別是（未按署名順序）：空間中心胡會東、焦怡明、王瑞和楊利平，湖南工商大學陳沖，航天工程大學朱蓓，和中國氣象局趙曉威。該工作得到了中國科學院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金、國家重點研發計劃和全國重點實驗室專項基金的支持。

詳情內容請見：

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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