太陽風(fēng)暴（CME）是從太陽拋向行星際空間的大尺度磁化等離子體，具有很強(qiáng)的空間天氣效應(yīng)。快速CME及其激波到達(dá)地球附近時，可能引發(fā)強(qiáng)烈的地磁暴。因此，理解快速CME及其激波的三維結(jié)構(gòu)、在日冕和行星際空間中的傳播和演化過程對空間天氣來說尤為重要。
2020年11月29日爆發(fā)了一個大的快CME事件，此CME的爆發(fā)伴隨著 M4.4 級的耀斑，造成了第25太陽活動周第一個II型射電暴和第一個廣泛分布的太陽高能粒子事件，這也是Parker Solar Probe (PSP)衛(wèi)星發(fā)射以來觀測到的第一個大的爆發(fā)事件。地球和衛(wèi)星的位置圖表明，包括PSP、STEREO A、SDO和Wind衛(wèi)星（地球附近）等在內(nèi)的多顆衛(wèi)星，可以對此爆發(fā)事件進(jìn)行多角度的遙感成像觀測和多點(diǎn)的太陽風(fēng)就地測量（圖1）。多顆衛(wèi)星的聯(lián)合觀測將有利于對此CME的傳播、膨脹以及對日球?qū)拥挠绊戇M(jìn)行分析。
中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉潁研究員課題組結(jié)合多視角與多波段的遙感成像觀測、以及多點(diǎn)的就地測量數(shù)據(jù)，對此快速CME進(jìn)行了包括從太陽源頭、行星際傳播、到多點(diǎn)撞擊的一體化研究。
圖1：2020年11月29日衛(wèi)星與行星在黃道面上的位置。
圖2：爆發(fā)源區(qū)磁場構(gòu)型及不同視角的極紫外觀測圖像。
圖3：CME和激波在太陽附近的擬合結(jié)果。
研究發(fā)現(xiàn)，爆發(fā)源區(qū)位于環(huán)形閉合磁拱的下方，并被相同極性的磁力線所包圍。爆發(fā)初期CME磁流繩有較大的傾斜角度，并發(fā)生了快速的膨脹和加速，伴隨著明顯的日冕變暗和EUV波（圖2）。基于日冕儀圖像的GCS擬合結(jié)果表明，CME磁流繩在太陽附近時有較大的傾斜角度和角寬度，與極紫外觀測結(jié)果相符合（圖3）。CME驅(qū)動的激波呈現(xiàn)出橢球型的結(jié)構(gòu)，并且從SOHO 和STEREO A 視角來看激波包圍住了整個太陽（圖3），這有助于解釋位于爆發(fā)背面的Solar Orbiter 觀測到了太陽高能粒子事件。CME和激波在爆發(fā)之后的1小時內(nèi)快速加速到最大速度 2200 km/s，展現(xiàn)出典型的快速事件速度輪廓。激波膨脹的速度遠(yuǎn)大于激波中心的平移速度，表明激波的結(jié)構(gòu)和對日球?qū)拥臐撛谟绊懼饕怯善鋸较蚝蛡?cè)面膨脹決定的。
圖4：WSA–ENLIL 模擬在黃道面上的密度與速度分布。
WSA-ENLIL模擬結(jié)果表明，CME到達(dá)了PSP 和 STEREO A，并且擁有較大的角寬度（圖4第一行）。從圖4底部的兩幅圖可以看出，CME的后側(cè)面很可能以相對較低的速度和密度掠過地球。
圖5：太陽風(fēng)就地測量。左：PSP；中：STEREO A；右：Wind。模擬數(shù)據(jù)為紅色虛線。
從PSP就地測量數(shù)據(jù)可以看出，激波于11月30日18:35 UT到達(dá)PSP，后面跟隨著鞘區(qū)和ICME結(jié)構(gòu)（圖5左）。PSP觀測到的磁場BN分量主要為北向，說明CME磁流繩可能有較大的傾斜角，這與遙感成像觀測得到的結(jié)果相符合。模擬結(jié)果（紅色虛線）預(yù)測的激波到達(dá)時間和PSP 就地觀測到的激波到達(dá)時間一致。由于PSP在這段時間沒有等離子體數(shù)據(jù)，我們使用模擬的結(jié)果來估算激波到達(dá)PSP時的速度，大約為850 km s-1。
STEREO A就地測量數(shù)據(jù)表明，激波到達(dá)STEREO A的時間為12 月1日07:20 UT 左右，激波的速度大約為700 km s-1（圖5中）。模擬預(yù)測的到達(dá)時間比觀測值早5小時左右，預(yù)測的激波速度（850 km s-1）比觀測值略高。在模擬結(jié)果平移之后，模擬得到的速度和密度輪廓與就地測量數(shù)據(jù)很相似。STEREO A 觀測到的磁場強(qiáng)度表現(xiàn)出逐漸降低的輪廓，這和PSP的觀測結(jié)果很相似。
地球位于偏離CME傳播方向90多度的位置（圖1），僅僅根據(jù)爆發(fā)源區(qū)的位置以及CME和激波的傳播方向來判斷，CME/激波可能不會到達(dá)地球。Wind衛(wèi)星（地球附近）的就地測量數(shù)據(jù)看起來不像是一個典型的ICME，我們根據(jù)質(zhì)子溫度與磁場強(qiáng)度的輪廓給出了一個ICME的可能區(qū)間（圖5右）。通過與WSA-ENLIL模擬結(jié)果的比較，發(fā)現(xiàn)雖然模型高估了密度值，但是密度的輪廓與就地觀測數(shù)據(jù)相符合，并且預(yù)測的CME到達(dá)時間與就地觀測數(shù)據(jù)一致。這說明，由于CME在經(jīng)度上的大規(guī)模膨脹，CME的遠(yuǎn)側(cè)面（CME的腿）確實(shí)到達(dá)了地球，但是沒有明顯的激波特征。這是令人驚訝的結(jié)果，因?yàn)橐话阏J(rèn)為激波的尺度要大于CME，這說明側(cè)向激波在到達(dá)1 AU之前發(fā)生了衰減，這與劉潁等人（2017, 2019）的結(jié)果一致。
該論文發(fā)表于The Astrophysical Journal，第一作者為研究生陳沖。此項(xiàng)研究工作表明，結(jié)合多角度、多波段成像觀測以及多點(diǎn)太陽風(fēng)就地測量，可給出太陽風(fēng)暴從太陽源頭、到行星際傳播、到對日球?qū)佑绊懙囊惑w化物理圖像，對提高空間天氣預(yù)報能力具有重要意義。審稿人評價: “It (can) be an excellent thesis chapter”, “It is well written, it demonstrates a thorough understanding of the life cycle of a CME, and it applies a number of industry-standard analysis methods to the available data.”
Citation: Chong Chen, Ying D. Liu*, and Bei Zhu, Multispacecraft Remote Sensing and In Situ Observations of the 2020 November 29 Coronal Mass Ejection and Associated Shock: From Solar Source to Heliospheric Impacts, 2022, The Astrophysical Journal, 937, 44
( https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac7ff6)
