2024年5月活動(dòng)區(qū)13664/13668，接連產(chǎn)生X級耀斑并伴隨連續(xù)的日冕物質(zhì)拋射（CMEs），地磁響應(yīng)指數(shù)達(dá)到G5級，Kp指數(shù)達(dá)到了9，Dst指數(shù)更是下降到-412 nT。這樣強(qiáng)的地磁響應(yīng)事件最近的一次還要追溯到20多年前著名的“萬圣節(jié)”事件，Dst下降到-422 nT?？v觀歷史上幾次著名的大磁暴事件，比如在進(jìn)入航天時(shí)代之前1859年的卡林頓事件，Dst指數(shù)達(dá)到驚人的-850 nT。再如1989年，進(jìn)入航天時(shí)代后最嚴(yán)重的一次空間天氣事件，即加拿大的“魁北克”事件，Dst指數(shù)下降到-589 nT。此類極端空間天氣事件通常被認(rèn)為與多個(gè)CMEs的相互作用有關(guān)，通過前導(dǎo)CME為后遂CME掃清障礙，通過CME間的相互作用增強(qiáng)其對地效應(yīng)，并最終以一種“完美風(fēng)暴”的形式形成極端空間天氣事件。

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)室王瑞副研究員團(tuán)隊(duì)在第一時(shí)間對此次事件進(jìn)行了深入的研究。研究從風(fēng)暴的源頭，即太陽活動(dòng)區(qū)，到行星際空間展開了全鏈條分析。2024年5月10日Dst指數(shù)產(chǎn)生了快速下降（如圖1所示），11日達(dá)到最大強(qiáng)度，之后經(jīng)歷一個(gè)漫長的過程直到13日才恢復(fù)正常水平。就地?cái)?shù)據(jù)顯示，Dst的快速下降和緩慢恢復(fù)可以歸結(jié)為兩個(gè)復(fù)雜拋射物的影響，如圖陰影區(qū)域所示。拋射物1展示出較強(qiáng)的南向磁場分量，而拋射物2的南向分量并不明顯，這便解釋了為何Dst指數(shù)沒有在11日繼續(xù)下降的原因。

圖1 Wind衛(wèi)星的太陽風(fēng)就地觀測數(shù)據(jù)及Dst指數(shù)變化。

為了試圖找到形成兩組截然不同復(fù)雜拋射物的成因，我們分析了CME爆發(fā)源區(qū)的磁場配置情況。研究發(fā)現(xiàn)爆發(fā)源區(qū)經(jīng)歷了活動(dòng)區(qū)的快速形成和兼并過程，伴隨有磁場的快速浮現(xiàn)。結(jié)果顯示11日晚些時(shí)候，活動(dòng)區(qū)的無符號磁場通量達(dá)到約1.5x10²³ Mx，而7日到9日三天的六小時(shí)平均磁通浮現(xiàn)率達(dá)到驚人的約10²¹ Mx/h，最大的磁通浮現(xiàn)率發(fā)生在8日的約1.6x10²¹ Mx/h。這一磁場浮現(xiàn)率可以說是歷史級別的，對比歷史典型事件，它超過了耀斑最密集發(fā)生的活動(dòng)區(qū)12673以及擁有最大黑子群的活動(dòng)區(qū)12192。然而歷史級別的磁流浮現(xiàn)水平并不是導(dǎo)致歷史級地磁響應(yīng)事件的唯一因素。

研究發(fā)現(xiàn)，該活動(dòng)區(qū)也經(jīng)歷著“碰撞剪切”過程，該過程被認(rèn)為是產(chǎn)生同源CMEs的典型模式。所謂碰撞剪切過程是指太陽光球兩對非偶極磁場間在磁場浮現(xiàn)過程中產(chǎn)生匯聚剪切形成強(qiáng)梯度中性線的過程。根據(jù)這一模式我們對比發(fā)現(xiàn)7次對地的連續(xù)爆發(fā)主要源自兩條碰撞中性線（如圖2中兩個(gè)紅色箭頭所示）。源自這兩條中性線的CMEs恰好在行星際空間通過CME間相互作用形成了上面提到的兩組復(fù)雜拋射物。分析發(fā)現(xiàn)，下方中性線磁場的環(huán)向分量和軸向分量均展示出較強(qiáng)的磁場南向分量，而上方中性線磁場則展示出明顯的北向分量。這便解釋了Dst指數(shù)沒有繼續(xù)下降的原因。

圖2 2024年5月太陽風(fēng)暴所涉及的7次主要的耀斑爆發(fā)事件和爆發(fā)源區(qū)磁場的配置。

圖3? 左上圖為活動(dòng)區(qū)的磁場通量累積曲線（綠色）和磁通浮現(xiàn)率曲線（紅色），爆發(fā)源區(qū)的極紫外圖像和7次爆發(fā)CMEs的速度、方向分布圖（右側(cè)）。

研究顯示形成兩組復(fù)雜拋射物的另外一個(gè)重要因素是第五次爆發(fā)的CME速度較慢（如圖3所示），不能追趕上前次爆發(fā)而導(dǎo)致無法滿足形成CME間相互作用的必要條件。究其原因，磁通浮現(xiàn)率的快速下降是造成爆發(fā)強(qiáng)度下降的直接原因。

此外，科研人員用每個(gè)爆發(fā)源區(qū)垂直磁場的水平梯度變化與爆發(fā)發(fā)生時(shí)間的相關(guān)性驗(yàn)證了碰撞剪切機(jī)制對于爆發(fā)形成的必要性（如圖4）。因此，碰撞中性線處磁場梯度的變化對于預(yù)測同源CME的產(chǎn)生發(fā)揮重要作用。其可以作為未來空間天氣預(yù)報(bào)的重要先兆因子。同時(shí)，科研團(tuán)隊(duì)還利用STEREO-A衛(wèi)星估算了當(dāng)?shù)氐腄st指數(shù)，可以達(dá)到近-500 nT的Dst響應(yīng)。因此科研人員認(rèn)為太陽風(fēng)暴在經(jīng)度方向上中尺度（mesoscale）的偏差（如圖3所示），將導(dǎo)致巨大的對地效應(yīng)差異。以上工作發(fā)表在國際期刊The Astrophysical Journal Letters和Astronomy & Astrophysics上。

圖4? 碰撞中性線附近強(qiáng)梯度積分曲線（綠色）與爆發(fā)（紅色）的關(guān)系。

Citation:

Wang, R., Liu, Y. D., Zhao, X., & Hu, H. Unveiling key factors in solar eruptions leading to the solar superstorm in 2024 May. 2024, Astronomy & Astrophysics, 692, A112.

Liu, Y. D., Hu, H., Zhao, X., Chen, C., & Wang, R. A Pileup of Coronal Mass Ejections Produced the Largest Geomagnetic Storm in Two Decades. 2024, The Astrophysical Journal Letters, 974(1), L8.

（供稿：天氣室）