日冕物質拋射及其對地有效性研究獲系列成果

磁場重聯對日冕物質拋射動力學影響的數值解

　　日冕物質拋射（CME）是太陽大氣中最猛烈的爆發現象之一，同時也是空間災害性天氣事件的最重要驅動源之一。

　　在人類大力發展航天活動的趨勢下，研究CME的觸發、形成以及傳播演化過程，對于深入理解日冕、行星際空間天氣過程，預報CME的空間天氣效應，準確掌握地球空間環境狀況，提供空間環境保障均具有重大意義。　

　　兩萬次強震 百萬座火山

　　“太陽系最劇烈的能量和物質釋放過程主要是CME和太陽耀斑。一次CME攜帶的能量相當于同時發生2萬個9級大地震，一個典型的耀斑單位時間內釋放的能量相當于10萬至100萬次強火山爆發的總能量。”中國科學院空間科學與應用研究中心副主任王赤對本報記者說，“而且，這些都是太陽上最劇烈、最頻繁的爆發活動。”　

　　太陽耀斑是太陽大氣（主要在色球和日冕）局部區域突然釋放出巨大能量的效應，會導致電子、質子和重離子的加熱和加速。耀斑發生時，強烈的輻射可以覆蓋從γ射線、紫外線、可見光，到射電波整個電磁波譜。

　　CME是太陽低日冕中的物質瞬時向外膨脹并噴射的現象。一個大的CME可含有10億乃至百億噸物質，這些物質被加速到每秒幾百甚至上千公里。太陽活動最大年，太陽每天產生大約6 次CME，而活動最小時，大約每2天產生1次。快速CME向外的速度可達每秒2000公里以上，而正常的太陽風速度約每秒300~700公里。CME的等離子體物質傳播到地球附近的行星際空間時就會擾動地球磁場，產生地磁暴和電離層暴等現象，造成空間天氣的劇烈變化，對人們的生產生活產生影響，嚴重時會引起衛星失控，破壞通訊、電網以及導航，并威脅到宇航員的生命安全。

　　“CME相關問題是當前空間物理和太陽物理領域的熱門課題之一，尤其CME的對地有效性在空間天氣學研究以及空間天氣預報方面有著極其重要的價值。”王赤說，“目前研究主要集中在CME的起源、觸發機制、傳播和演化規律、對地球空間環境的影響、與其他太陽爆發現象的關系等方面。”

　　太陽沖誰“發火”

　　太陽“脾氣火暴”，而且隔三岔五就要發作一次。不過很多時候它并沒沖地球“發火”。這就給科學家提出一個重要問題——CME能否到達地球并對地球環境產生影響，即CME的對地有效性。

　　“CME是災害性空間天氣事件的主要制造者或驅動源，但大量的觀測研究表明，不是所有正對地球的拋射都能造成影響，也不是所有不正對地球的CME就一定沒有影響。”中國科學技術大學教授汪毓明對本報記者說，“CME傳播過程中會發生軌跡偏轉，我們從對地有效CME分布的不對稱分布出發進行研究，就是為了能更好地了解哪些CME能到達并影響地球，這對CME相關的空間天氣預報有重要意義。”

　　我國學者統計研究了從1997年3月到2000年年底的132個發生于太陽正面的CME，發現其中共有59個CME引起了地磁暴，比例將近一半。奇妙的是，這59個對地有效CME的太陽表面源區分布呈現明顯的東西不對稱性，西邊的比東邊的多出57%。

　　“快速的CME從西邊往東邊偏，慢速的CME從東邊往西邊偏，而能造成明顯地磁效應的CME多數是快速的，因此就造成了對地有效CME的日面源區位置分布的不對稱，其中西邊偏多。”汪毓明說。

　　基于這一思想，我國學者建立了一個描述CME偏轉的模型。該模型在2005年9月應用于一系列同源CME事件研究中，較好地解釋了為什么這些源自同一個活動區的CME有些撞擊到了地球，有些則沒有。

　　“目前基于該模型的CME對地有效預報模式仍在發展中。”汪毓明說。

　　扭纏的磁繩

　　日冕是太陽大氣的最外層，里面充滿了溫度高、密度稀薄的等離子體（氣體溫度繼續上升后變成的另外一種狀態）。由于磁場在太陽內部不斷產生，并浮現出來，因此，日冕的等離子體中充滿了磁場，而且磁場越來越復雜。

　　“就像擰毛巾一樣，越來越復雜的磁場會自動彎曲，變成像繩子一樣的扭纏結構。其中的磁能不斷累積，當它達到某種亞穩態之后，這種復雜的結構就容易被觸發而爆發出來。”南京大學天文與空間科學學院教授陳鵬飛對本報記者說，“因此，觸發機制研究是CME研究很重要的一部分。目前提出的機制包括低層大氣的磁重聯、新浮磁流、日冕磁繩上方的磁重聯、磁場剪切運動和磁通量注入，以及一些不穩定性。”其中新浮磁流觸發機制就是陳鵬飛及合作者提出來的，目前單篇文章引用達140余次，被美國同行在綜述文章中列為五大主流模型之一。2011年陳鵬飛也應邀為國際雜志撰寫關于CME的綜述文章。

　　日冕磁繩是日冕磁場變得復雜的一種很典型的結構。當CME到達地球附近時，科學家也經常能探測到磁繩結構。

　　“在早期，理論工作者較多認為CME源于磁繩的爆發。”陳鵬飛說，“磁繩結構容易被觸發而拋射出來，而且它一旦被觸發并開始上升運動，很容易在它下方形成一個電流片，而電流片的磁重聯會加劇磁繩的拋射。但由于日冕的磁場尚無法直接測量，因此這種觀點一直有爭議。現在一般認為較多的CME確實對應磁繩的拋射，但也有部分CME開始沒有磁繩結構。”　

　　在CME觸發的磁繩災變機制研究方面，我國科學家自主構建了CME磁繩災變數值模型，提出了一整套磁流體力學（MHD）災變的數值模擬方法，并以此為基礎圍繞日冕磁繩災變的觸發機制和磁場能量的釋放機理取得了系列成果，青年學者獲有關國際獎項。　

　　過去10年中，以我國學者為主，在日冕物質拋射的觸發機制、傳播演化過程以及對地有效性方面開展了系統的研究工作，取得了一批具有國際影響的成果和進展，獲得了國際同行的好評。該領域數名年輕的學者獲國家自然科學進步獎一等獎、科技部“973”先進個人獎、首屆美國地球物理學會日地系統科學Basu-Early Career Award。

　　其中關于日冕EIT波的傳播機制模型被EIT望遠鏡首席科學家、英國倫敦大學學院的L. K. Harra教授領導的研究組發表3篇觀測性論文支持。該模型及圖片也被美國的Aschwanden寫入教科書。對CME的不對稱分布以及行星際空間中的偏轉傳播理論，也獲得了廣泛的引用。