大气科学学院空间天气研究团队发现太阳大气中磁通浮现时期的磁绳形成机制

太阳活动主宰着日地空间环境的变化,是空间天气产生的源头。耀斑、暗条爆发和日冕物质抛射是最剧烈的太阳爆发性活动现象,这些活动不仅能够引发多个波段的强电磁辐射,而且会将大量的等离子体团和磁通量抛射到行星际空间。当太阳爆发产生的电磁辐射和日冕物质传播到近地空间环境时,将引起灾害性空间天气,对人类的生产生活造成严重的影响。目前的研究认为,太阳爆发活动主要是由太阳大气中的磁绳爆发引起的。因此,对于磁绳爆发问题的研究,对预测太阳爆发、进而实现空间天气准确、定量预报具有十分重要的意义。近年来,我校大气科学学院空间天气研究人员对太阳大气磁绳的形成、演化和稳定性等问题做了一系列的研究,相关研究成果发表在空间物理领域知名期刊The Astrophysical Journal和The Astrophysical Journal Letters上。
 

图1:浮现活动区中磁绳的形成过程
 
        以往研究认为,太阳大气中磁绳的形成机制有两种:一种为从太阳内部整体浮现;另一种是在太阳大气中直接形成。大气科学学院刘丽娟副研究员及合作者通过研究一个耀斑以及日冕物质抛射频发的浮现活动区(NOAA编号12192)中磁绳的演化,发现即使在活动区浮现初期,其中的磁绳也不是从太阳内部整体浮现的,而是通过属于不同偶极且极性相反的磁极的碰撞所引发的磁对消和剪切形成的,碰撞由不同偶极在浮现中的自然分离引起。这一发现揭示了磁绳在太阳大气中的形成也由太阳内部磁通的浮现驱动。
 

图2:两类束缚耀斑中耀斑后环的倾斜角分布
 
        尽管传统模型认为耀斑和日冕物质抛射都是在磁绳爆发时产生的,但实际观测中二者却不是一一对应的。伴随日冕物质抛射的耀斑被称为爆发型耀斑,而无日冕物质抛射的耀斑被称为束缚型耀斑。刘丽娟等通过研究2011-2017年间发生在太阳中心附近、M5.0级以上的束缚耀斑,发现这种耀斑可以细分为两类,一种是由磁绳爆发引起,但磁绳被上方强磁场束缚,没有成功传播出去;另一种本身并无磁绳爆发伴随,而是由剪切磁场之间的磁重联引起。这一结果是对传统爆发模型的补充。
 

图3:衰减因子和磁力线缠绕度分布图
 
        为了进一步理解导致爆发型和束缚型这两种不同类型耀斑的关键因素,大气科学学院段爱英副教授及合作者对2011年至2017年期间所有发生在太阳中心附近的M5.0级以上的耀斑进行了研究,利用磁场外推发现90%的事件在耀斑发生前存在磁绳结构,并且磁绳的三维结构比理论模型复杂得多。进一步的研究发现,当磁绳的torus不稳定性参数(即衰减因子)大于1.3或者kink不稳定性参数(即磁力线缠绕度)大于2时,90%以上的事件是爆发型耀斑;而且在所有事件中,利用以上两个参数可以成功判断70%耀斑事件的类型。因此,这两个参数及其阈值可以为预报耀斑是否爆发提供重要参考。
 

图4:不同视角对同一暗条爆发的观测,可以看出暗条爆发过程中的旋转
 
        大气科学学院周振军副研究员及合作者通过分析2010年7月至2013年2月的16个失败太阳暗条爆发的磁场和三维爆发形态,给出了控制磁绳爆发的关键参量,除了经典的衰减因子以外,暗条顶部的旋转也是其中的一个重要影响因素。通过构建衰减因子和旋转角度的相空间分布,他们发现达到或超过衰减因子之后,所有的爆发都具有强的旋转(50°到130°)。这种旋转可能引发内部或者外部的磁场重联,进而破坏磁绳的结构,并最终导致失败爆发。这一成果说明磁场重联在决定磁绳是否爆发中起到了重要作用,突破了原有的单一控制因素决定磁绳爆发的理论。
 
        相关论文:
        1) Lijuan Liu*, Xin Cheng, et al. (2019) Formation of a Magnetic Flux Rope in the Early Emergence Phase of NOAA Active Region 12673, accepted by Astrophysical Journal, https://arxiv.org/abs/1908.06360             
        2) Ting Li*, Lijuan Liu*, et al. (2019) Two Types of Confined Solar Flares, The Astrophysical Journal, 881, 151, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab3121/meta
        3) Aiying Duan*, Chaowei Jiang*, et al. (2019) A Study of Pre-Flare Solar Coronal Magnetic Fields: Magnetic Flux Ropes (2019),accepted by Astrophysical Journal, https://arxiv.org/abs/1908.08643
        4)Zhou, Z., Cheng, X., Zhang, J., Wang, Y., Wang, D., Liu, L., … & Cui, J. (2019). Why Do Torus-unstable Solar Filaments Experience Failed Eruptions?. The Astrophysical Journal Letters, 877(2), L28. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab21cb
        5)Zhou, Z., Cheng, X., Liu, L., Dai, Y., Wang, Y., & Cui, J. (2019). Extreme-ultraviolet Late Phase Caused by Magnetic Reconnection over Quadrupolar Magnetic Configuration in a Solar Flare. The Astrophysical Journal, 878(1), 46. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab1d5c/meta