同源日冕物質(zhì)拋射（CME）是指連續(xù)的CME從相同的太陽(yáng)活動(dòng)源區(qū)爆發(fā)出來(lái)。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(yáng)風(fēng)環(huán)境，為后來(lái)的CME創(chuàng)造更“有利”的傳播條件；空間中心空間天氣學(xué)國(guó)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(guò)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(yáng)風(fēng)暴，進(jìn)而對(duì)近地空間環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。這使得對(duì)這類連續(xù)爆發(fā)CME的研究變得重要起來(lái)。
我們知道CME爆發(fā)的能量主要來(lái)自于磁場(chǎng)的自由能。而對(duì)大部分的CME來(lái)說(shuō)為爆發(fā)提供能量的磁能在太陽(yáng)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(lái)，那么，對(duì)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(lái)？從能量的角度來(lái)說(shuō)，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(guò)程？對(duì)此，劉潁團(tuán)隊(duì)的王瑞副研究員等人通過(guò)典型同源太陽(yáng)爆發(fā)事件對(duì)磁繩的能量累積過(guò)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(duì)典型活動(dòng)區(qū)11283，通過(guò)非線性無(wú)力場(chǎng)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(duì)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(guò)程均伴隨明顯的能量和螺度釋放過(guò)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(chǎng)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(guò)對(duì)比爆發(fā)前后磁場(chǎng)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(lái)，為接下來(lái)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(guò)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(guò)兩種方式，一種是通過(guò)強(qiáng)烈的光球水平運(yùn)動(dòng)，憑借磁場(chǎng)對(duì)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(guò)光球下方的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，在對(duì)流層形成了扭纏磁結(jié)構(gòu)，最終這種扭纏結(jié)構(gòu)通過(guò)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(lái)越多的觀測(cè)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(chǎng)的水平運(yùn)動(dòng)和磁場(chǎng)的浮現(xiàn)關(guān)系在早期研究就有大量的論述，磁場(chǎng)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(duì)的磁極在浮現(xiàn)過(guò)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(chǎng)對(duì)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(guò)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(duì)共軛磁極P2和N2（藍(lán)色）快速浮現(xiàn)過(guò)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(guò)計(jì)算共軛磁極對(duì)磁通的虧損量來(lái)估計(jì)磁場(chǎng)發(fā)生對(duì)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(shì)是可以計(jì)算處于不斷浮現(xiàn)過(guò)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(guò)程強(qiáng)烈的活動(dòng)區(qū)往往是伴隨非常頻繁太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)的區(qū)域，研究工作通過(guò)具體事件展示了能量的累積和爆發(fā)的對(duì)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(guò)程的磁場(chǎng)對(duì)消通量的虧損情況，這是之前的研究沒(méi)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(guò)程，其中新的磁繩不斷形成和爆發(fā)。這些結(jié)果對(duì)于探究反復(fù)多次太陽(yáng)爆發(fā)的能量累積過(guò)程和爆發(fā)機(jī)制具有重要意義，對(duì)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)
