太陽(yáng)活動(dòng)主宰著日地空間環(huán)境的變化，是空間天氣產(chǎn)生的源頭。耀斑、暗條爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射是最劇烈的太陽(yáng)爆發(fā)性活動(dòng)現(xiàn)象，這些活動(dòng)不僅能夠引發(fā)多個(gè)波段的強(qiáng)電磁輻射，而且會(huì)將大量的等離子體團(tuán)和磁通量拋射到行星際空間。當(dāng)太陽(yáng)爆發(fā)產(chǎn)生的電磁輻射和日冕物質(zhì)傳播到近地空間環(huán)境時(shí)，將引起災(zāi)害性空間天氣，對(duì)人類(lèi)的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重的影響。目前的研究認(rèn)為，太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)主要是由太陽(yáng)大氣中的磁繩爆發(fā)引起的。因此，對(duì)于磁繩爆發(fā)問(wèn)題的研究，對(duì)預(yù)測(cè)太陽(yáng)爆發(fā)、進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空間天氣準(zhǔn)確、定量預(yù)報(bào)具有十分重要的意義。近年來(lái)，我校大氣科學(xué)學(xué)院空間天氣研究人員對(duì)太陽(yáng)大氣磁繩的形成、演化和穩(wěn)定性等問(wèn)題做了一系列的研究，相關(guān)研究成果發(fā)表在空間物理領(lǐng)域知名期刊The Astrophysical Journal和The Astrophysical Journal Letters上。
圖1：浮現(xiàn)活動(dòng)區(qū)中磁繩的形成過(guò)程
以往研究認(rèn)為，太陽(yáng)大氣中磁繩的形成機(jī)制有兩種：一種為從太陽(yáng)內(nèi)部整體浮現(xiàn)；另一種是在太陽(yáng)大氣中直接形成。大氣科學(xué)學(xué)院劉麗娟副研究員及合作者通過(guò)研究一個(gè)耀斑以及日冕物質(zhì)拋射頻發(fā)的浮現(xiàn)活動(dòng)區(qū)（NOAA編號(hào)12192）中磁繩的演化，發(fā)現(xiàn)即使在活動(dòng)區(qū)浮現(xiàn)初期，其中的磁繩也不是從太陽(yáng)內(nèi)部整體浮現(xiàn)的，而是通過(guò)屬于不同偶極且極性相反的磁極的碰撞所引發(fā)的磁對(duì)消和剪切形成的，碰撞由不同偶極在浮現(xiàn)中的自然分離引起。這一發(fā)現(xiàn)揭示了磁繩在太陽(yáng)大氣中的形成也由太陽(yáng)內(nèi)部磁通的浮現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。
圖2：兩類(lèi)束縛耀斑中耀斑后環(huán)的傾斜角分布
盡管傳統(tǒng)模型認(rèn)為耀斑和日冕物質(zhì)拋射都是在磁繩爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的，但實(shí)際觀(guān)測(cè)中二者卻不是一一對(duì)應(yīng)的。伴隨日冕物質(zhì)拋射的耀斑被稱(chēng)為爆發(fā)型耀斑，而無(wú)日冕物質(zhì)拋射的耀斑被稱(chēng)為束縛型耀斑。劉麗娟等通過(guò)研究2011-2017年間發(fā)生在太陽(yáng)中心附近、M5.0級(jí)以上的束縛耀斑，發(fā)現(xiàn)這種耀斑可以細(xì)分為兩類(lèi)，一種是由磁繩爆發(fā)引起，但磁繩被上方強(qiáng)磁場(chǎng)束縛，沒(méi)有成功傳播出去；另一種本身并無(wú)磁繩爆發(fā)伴隨，而是由剪切磁場(chǎng)之間的磁重聯(lián)引起。這一結(jié)果是對(duì)傳統(tǒng)爆發(fā)模型的補(bǔ)充。
圖3：衰減因子和磁力線(xiàn)纏繞度分布圖
為了進(jìn)一步理解導(dǎo)致爆發(fā)型和束縛型這兩種不同類(lèi)型耀斑的關(guān)鍵因素，大氣科學(xué)學(xué)院段愛(ài)英副教授及合作者對(duì)2011年至2017年期間所有發(fā)生在太陽(yáng)中心附近的M5.0級(jí)以上的耀斑進(jìn)行了研究，利用磁場(chǎng)外推發(fā)現(xiàn)90%的事件在耀斑發(fā)生前存在磁繩結(jié)構(gòu)，并且磁繩的三維結(jié)構(gòu)比理論模型復(fù)雜得多。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磁繩的torus不穩(wěn)定性參數(shù)（即衰減因子）大于1.3或者kink不穩(wěn)定性參數(shù)（即磁力線(xiàn)纏繞度）大于2時(shí)，90%以上的事件是爆發(fā)型耀斑；而且在所有事件中，利用以上兩個(gè)參數(shù)可以成功判斷70%耀斑事件的類(lèi)型。因此，這兩個(gè)參數(shù)及其閾值可以為預(yù)報(bào)耀斑是否爆發(fā)提供重要參考。
圖4：不同視角對(duì)同一暗條爆發(fā)的觀(guān)測(cè)，可以看出暗條爆發(fā)過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)
大氣科學(xué)學(xué)院周振軍副研究員及合作者通過(guò)分析2010年7月至2013年2月的16個(gè)失敗太陽(yáng)暗條爆發(fā)的磁場(chǎng)和三維爆發(fā)形態(tài)，給出了控制磁繩爆發(fā)的關(guān)鍵參量，除了經(jīng)典的衰減因子以外，暗條頂部的旋轉(zhuǎn)也是其中的一個(gè)重要影響因素。通過(guò)構(gòu)建衰減因子和旋轉(zhuǎn)角度的相空間分布，他們發(fā)現(xiàn)達(dá)到或超過(guò)衰減因子之后，所有的爆發(fā)都具有強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)（50°到130°）。這種旋轉(zhuǎn)可能引發(fā)內(nèi)部或者外部的磁場(chǎng)重聯(lián)，進(jìn)而破壞磁繩的結(jié)構(gòu)，并最終導(dǎo)致失敗爆發(fā)。這一成果說(shuō)明磁場(chǎng)重聯(lián)在決定磁繩是否爆發(fā)中起到了重要作用，突破了原有的單一控制因素決定磁繩爆發(fā)的理論。
相關(guān)論文：
1) Lijuan Liu*, Xin Cheng, et al. (2019) Formation of a Magnetic Flux Rope in the Early Emergence Phase of NOAA Active Region 12673, accepted by Astrophysical Journal, https://arxiv.org/abs/1908.06360
2) Ting Li*, Lijuan Liu*, et al. (2019) Two Types of Confined Solar Flares, The Astrophysical Journal, 881, 151, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab3121/meta
3) Aiying Duan*, Chaowei Jiang*, et al. (2019) A Study of Pre-Flare Solar Coronal Magnetic Fields: Magnetic Flux Ropes （2019），accepted by Astrophysical Journal, https://arxiv.org/abs/1908.08643
4)Zhou, Z., Cheng, X., Zhang, J., Wang, Y., Wang, D., Liu, L., ... & Cui, J. (2019). Why Do Torus-unstable Solar Filaments Experience Failed Eruptions?. The Astrophysical Journal Letters, 877(2), L28. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab21cb
5)Zhou, Z., Cheng, X., Liu, L., Dai, Y., Wang, Y., & Cui, J. (2019). Extreme-ultraviolet Late Phase Caused by Magnetic Reconnection over Quadrupolar Magnetic Configuration in a Solar Flare. The Astrophysical Journal, 878(1), 46. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab1d5c/meta
