太陽風(fēng)電荷交換（Solar Wind Charge Exchange，簡稱SWCX）是指太陽風(fēng)中高價(jià)態(tài)的離子（C、N、O等）和中性成分（地球空間中主要是中性H）發(fā)生碰撞，獲得一個(gè)電子進(jìn)入激發(fā)態(tài)，隨后在回到基態(tài)的過程中釋放出軟X射線波段的光子。地球磁層的SWCX軟X射線輻射主要發(fā)生在日側(cè)的磁鞘和極尖區(qū)，因此利用軟X射線觀測技術(shù)，可以對磁層X射線輻射特性及太陽風(fēng)-磁層耦合特性進(jìn)行深入認(rèn)知。
日冕物質(zhì)拋射（Coronal Mass Ejection, 簡稱CME）是太陽系內(nèi)規(guī)模最大，程度最劇烈的能量釋放活動(dòng)。CME從太陽釋放到行星際空間即為行星際日冕物質(zhì)拋射（Interplanetary Coronal Mass Ejection，簡稱ICME）。ICME傳播到近地空間，將會(huì)引起地磁暴、極光等現(xiàn)象，可以對空間探測、衛(wèi)星運(yùn)行、通訊、電力設(shè)施和輸油管道等產(chǎn)生顯著影響。
在ICME的作用下，地球磁層SWCX軟X射線輻射也會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)。但是在ICME本體作用下磁層X射線輻射是增強(qiáng)還是減弱，此前并不確定。因?yàn)?，一方面，ICME中重離子的價(jià)態(tài)通常較高、離子種類更豐富，SWCX輻射強(qiáng)度傾向于增強(qiáng)；但另一方面，由于ICME的膨脹，其內(nèi)部的等離子體數(shù)密度一般較周圍太陽風(fēng)低，SWCX軟X射線輻射趨于減弱。而ICME的地球物理效應(yīng)一般發(fā)生于ICME本體作用于磁層的時(shí)期（非ICME驅(qū)動(dòng)的鞘區(qū)），因此衡量SWCX軟X射線輻射強(qiáng)度及譜線的響應(yīng)特征，對于太陽風(fēng)-磁層耦合的X射線成像探測具有重要意義。
近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王赤院士課題組的孫天然研究員和博士生張穎潔等人，與英國萊斯特大學(xué)、中科院紫金山天文臺(tái)、國家天文臺(tái)等單位合作，利用XMM-Newton天文X射線衛(wèi)星對ICME期間的磁層SWCX軟X射線輻射進(jìn)行了研究。該事件發(fā)生在2011年2月18日，地球磁層先是受到ICME驅(qū)動(dòng)的鞘區(qū)（CME壓縮周圍太陽風(fēng)形成，具有高等離子體密度特點(diǎn)）影響，隨后又受到ICME本體（具有低等離子體密度的特點(diǎn)）的影響。
圖1 ICME驅(qū)動(dòng)的鞘區(qū)(上)和ICME(下)連續(xù)到達(dá)地球期間，磁層軟X射線輻射示意圖。
結(jié)果表明，雖然ICME中的太陽風(fēng)質(zhì)子通量下降到較低水平，但是SWCX軟X射線輻射卻增強(qiáng)了。這是因?yàn)镮CME中的離子具有更高的電離狀態(tài)，有效增強(qiáng)了來自重離子(如Ne、Mg和Al)的線發(fā)射強(qiáng)度。因此，盡管質(zhì)子通量低，ICME中較高的高價(jià)態(tài)離子豐度有利于磁層軟X射線觀測。ICME作用下的地球磁鞘輻射出了更加豐富的譜線。此外，XMM-Newton衛(wèi)星觀測得到的SWCX離子發(fā)射線強(qiáng)度與ACE原位測得的離子豐度的變化具有較好的一致性，這證明SWCX輻射光譜診斷可以用于遠(yuǎn)程分析太陽風(fēng)中高價(jià)態(tài)離子的分布。
圖2 ACE原位測得的太陽風(fēng)離子豐度（左），根據(jù)ACE觀測計(jì)算得到的SWCX效率因子（中）XMM-Newton觀測得到的SWCX離子發(fā)射線強(qiáng)度（右）
相關(guān)成果發(fā)表在國際知名期刊The Astrophysical Journal Letters（APJL）上。該研究得到了基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃、空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)計(jì)劃、中國科學(xué)院研究基金和國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)研究基金、青促會(huì)優(yōu)秀會(huì)員資助計(jì)劃等的支持。
Citation：Yingjie Zhang; Tianran Sun; Chi Wang; Li Ji; Jennifer. A. Carter; Steve Sembay; Dimitra Koutroumpa; Ying D. Liu; Guiyun Liang; Wenhao Liu; Wei Sun; and Xiaowei Zhao. Solar Wind Charge Exchange Soft X-Ray Emissions in the Magnetosphere during an Interplanetary Coronal Mass Ejection Compared to Its Driven Sheath. The Astrophysical Journal Letters, 2022, 932, L1 (8pp).
https://doi.org/10.3847/2041-8213/ac7521
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