同源日冕物質(zhì)拋射（CME）是指連續(xù)的CME從相同的太陽活動(dòng)源區(qū)爆發(fā)出來。這一類的CME爆發(fā)通常會(huì)跟極端空間天氣災(zāi)害性事件相聯(lián)系。連續(xù)的CME爆發(fā)會(huì)有很高的概率在這些CME之間產(chǎn)生相互作用，先行的CME也可以“預(yù)先調(diào)制”太陽風(fēng)環(huán)境，為后來的CME創(chuàng)造更“有利”的傳播條件；空間中心空間天氣學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉潁研究員等人在2014和2019年的工作中指出通過CME之間的這種相互作用，可能以一種“完美風(fēng)暴”的方式產(chǎn)生超級(jí)太陽風(fēng)暴，進(jìn)而對近地空間環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。這使得對這類連續(xù)爆發(fā)CME的研究變得重要起來。
我們知道CME爆發(fā)的能量主要來自于磁場的自由能。而對大部分的CME來說為爆發(fā)提供能量的磁能在太陽上是以磁通量繩結(jié)構(gòu)（磁繩）存在的。而作為同源CME，多次CME會(huì)反復(fù)從同一源區(qū)爆發(fā)出來，那么，對應(yīng)的磁繩結(jié)構(gòu)是否是同一條磁繩反復(fù)爆發(fā)，還是不斷有新的磁繩產(chǎn)生出來？從能量的角度來說，每次爆發(fā)是部分的磁能釋放，還是反復(fù)的磁能釋放和累積過程？對此，劉潁團(tuán)隊(duì)的王瑞副研究員等人通過典型同源太陽爆發(fā)事件對磁繩的能量累積過程進(jìn)行了深入的剖析。
圖1. 活動(dòng)區(qū)磁能（左上）和螺度（左下）演化曲線。右側(cè)：共軛磁極磁通演化曲線及磁通的虧損量（綠色）曲線。爆發(fā)源區(qū)角日心距在上方標(biāo)出。
圖2. 四次爆發(fā)前后磁繩扭纏度演化及比較。左列為爆發(fā)前扭纏度，右列為爆發(fā)后狀態(tài)。
針對典型活動(dòng)區(qū)11283，通過非線性無力場外推和有限體積法分別給出了磁能和磁螺度在四次連續(xù)爆發(fā)之間的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明，除了第一次爆發(fā)，其余三次爆發(fā)過程均伴隨明顯的能量和螺度釋放過程，且最多一次能量釋放占爆發(fā)前能量的60%（如圖1所示）。結(jié)合磁場外推結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)除第一次爆發(fā)外，其余三次爆發(fā)前在主中性線上均重構(gòu)出扭纏的磁繩結(jié)構(gòu)，通過對比爆發(fā)前后磁場的扭纏度變化（如圖2所示），我們發(fā)現(xiàn)磁繩在每次爆發(fā)后其扭纏度都會(huì)大幅度降低；而在爆發(fā)之后又可以迅速將這種扭纏度重新累積起來，為接下來的爆發(fā)儲(chǔ)備豐富的能量和螺度。那么，如此反復(fù)而又快速的能量累積是通過什么機(jī)制完成的呢？
根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn)，磁繩的形成主要通過兩種方式，一種是通過強(qiáng)烈的光球水平運(yùn)動(dòng)，憑借磁場對消和所謂的Tether-cutting重聯(lián)等方式在中性線處形成扭纏的磁繩結(jié)構(gòu)；另一種則通過光球下方的對流運(yùn)動(dòng)，在對流層形成了扭纏磁結(jié)構(gòu)，最終這種扭纏結(jié)構(gòu)通過磁浮力浮現(xiàn)出光球形成磁繩。研究表明，第一種方式被越來越多的觀測和模擬結(jié)果證實(shí)，逐漸成為一種主導(dǎo)的成因。關(guān)于光球磁場的水平運(yùn)動(dòng)和磁場的浮現(xiàn)關(guān)系在早期研究就有大量的論述，磁場水平運(yùn)動(dòng)往往伴隨有磁浮現(xiàn)現(xiàn)象，而有時(shí)候磁浮現(xiàn)又是水平運(yùn)動(dòng)的一種成因。Chintzoglou等人（2019）提出“碰撞剪切”的概念，指出兩個(gè)屬于不同共軛偶極對的磁極在浮現(xiàn)過程中會(huì)發(fā)生碰撞，碰撞導(dǎo)致在非共軛磁極中性線附近發(fā)生劇烈的磁場對消和重聯(lián)，快速地累積磁能和螺度從而形成磁繩。而當(dāng)能量和螺度累積到一定程度后又會(huì)釋放掉，也就是發(fā)生了CME爆發(fā)。通過堆疊磁圖我們發(fā)現(xiàn)活動(dòng)區(qū)11283也滿足這樣一種情況（如圖3所示），一對共軛磁極P2和N2（藍(lán)色）快速浮現(xiàn)過程中與N1發(fā)生碰撞剪切，四次爆發(fā)均發(fā)生在P2（紅色）與N1（藍(lán)色）之間（綠色球）。共軛磁極在未發(fā)生碰撞時(shí)，磁通是正負(fù)平衡的，我們通過計(jì)算共軛磁極對磁通的虧損量來估計(jì)磁場發(fā)生對消和重聯(lián)的量（如圖1右圖所示），結(jié)果顯示在置信區(qū)間內(nèi)最大虧損率為24%，也就是第三次爆發(fā)前有24%的磁通可能轉(zhuǎn)化成了磁能。
圖3. 活動(dòng)區(qū)11283磁圖堆疊磁極等值面|B| = 1000 G，紅色為正極P2，藍(lán)色為負(fù)極N2和N1，綠色球表示四次連續(xù)爆發(fā)發(fā)生時(shí)間和大致位置。
“碰撞剪切”方法的優(yōu)勢是可以計(jì)算處于不斷浮現(xiàn)過程的活動(dòng)區(qū)的通量虧缺量，而相比于處于衰退期的活動(dòng)區(qū)，浮現(xiàn)過程強(qiáng)烈的活動(dòng)區(qū)往往是伴隨非常頻繁太陽爆發(fā)活動(dòng)的區(qū)域，研究工作通過具體事件展示了能量的累積和爆發(fā)的對應(yīng)關(guān)系，同時(shí)給出了計(jì)算通量虧缺具體區(qū)域選取方法。
相關(guān)論文發(fā)表于The Astrophysical Journal，第一作者為王瑞。該研究采用了新方法更加準(zhǔn)確、定量地給出伴隨強(qiáng)烈磁浮現(xiàn)過程的磁場對消通量的虧損情況，這是之前的研究沒有實(shí)現(xiàn)的。我們也揭示，該同源多次爆發(fā)是反復(fù)的磁能累積和釋放過程，其中新的磁繩不斷形成和爆發(fā)。這些結(jié)果對于探究反復(fù)多次太陽爆發(fā)的能量累積過程和爆發(fā)機(jī)制具有重要意義，對于空間天氣預(yù)報(bào)有重要價(jià)值。
Citation: Rui Wang, Ying D. Liu, Shangbin Yang, and Huidong Hu, Buildup of the Magnetic Flux Ropes in Homologous Solar Eruptions, 2022, The Astrophysical Journal, 925, 202. (https://doi.org/10.3847/1538-4357/ac3f35)
