日冕物質(zhì)拋射及其對(duì)地有效性研究獲系列成果

日冕物質(zhì)拋射（CME）是太陽大氣中zui猛烈的爆發(fā)現(xiàn)象之一，同時(shí)也是空間災(zāi)害性天氣事件的zui重要驅(qū)動(dòng)源之一。

在人類大力發(fā)展航天活動(dòng)的趨勢下，研究CME的觸發(fā)、形成以及傳播演化過程，對(duì)于深入理解日冕、行星際空間天氣過程，預(yù)報(bào)CME的空間天氣效應(yīng)，準(zhǔn)確掌握地球空間環(huán)境狀況，提供空間環(huán)境保障均具有重大意義。

兩萬次強(qiáng)震 百萬座火山

“太陽系z(mì)ui劇烈的能量和物質(zhì)釋放過程主要是CME和太陽耀斑。一次CME攜帶的能量相當(dāng)于同時(shí)發(fā)生2萬個(gè)9級(jí)大地震，一個(gè)典型的耀斑單位時(shí)間內(nèi)釋放的能量相當(dāng)于10萬至100萬次強(qiáng)火山爆發(fā)的總能量。”*空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心副主任王赤對(duì)本報(bào)記者說，“而且，這些都是太陽上zui劇烈、zui頻繁的爆發(fā)活動(dòng)。”

太陽耀斑是太陽大氣（主要在色球和日冕）局部區(qū)域突然釋放出巨大能量的效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致電子、質(zhì)子和重離子的加熱和加速。耀斑發(fā)生時(shí)，強(qiáng)烈的輻射可以覆蓋從γ射線、紫外線、可見光，到射電波整個(gè)電磁波譜。

CME是太陽低日冕中的物質(zhì)瞬時(shí)向外膨脹并噴射的現(xiàn)象。一個(gè)大的CME可含有10億乃至百億噸物質(zhì)，這些物質(zhì)被加速到每秒幾百甚至上千公里。太陽活動(dòng)zui大年，太陽每天產(chǎn)生大約6 次CME，而活動(dòng)zui小時(shí)，大約每2天產(chǎn)生1次?？焖貱ME向外的速度可達(dá)每秒2000公里以上，而正常的太陽風(fēng)速度約每秒300~700公里。CME的等離子體物質(zhì)傳播到地球附近的行星際空間時(shí)就會(huì)擾動(dòng)地球磁場，產(chǎn)生地磁暴和電離層暴等現(xiàn)象，造成空間天氣的劇烈變化，對(duì)人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起衛(wèi)星失控，破壞通訊、電網(wǎng)以及導(dǎo)航，并威脅到宇航員的生命安全。

“CME相關(guān)問題是當(dāng)前空間物理和太陽物理領(lǐng)域的熱門課題之一，尤其CME的對(duì)地有效性在空間天氣學(xué)研究以及空間天氣預(yù)報(bào)方面有著極其重要的價(jià)值。”王赤說，“目前研究主要集中在CME的起源、觸發(fā)機(jī)制、傳播和演化規(guī)律、對(duì)地球空間環(huán)境的影響、與其他太陽爆發(fā)現(xiàn)象的關(guān)系等方面。”

太陽沖誰“發(fā)火”

太陽“脾氣火暴”，而且隔三岔五就要發(fā)作一次。不過很多時(shí)候它并沒沖地球“發(fā)火”。這就給科學(xué)家提出一個(gè)重要問題——CME能否到達(dá)地球并對(duì)地球環(huán)境產(chǎn)生影響，即CME的對(duì)地有效性。

“CME是災(zāi)害性空間天氣事件的主要制造者或驅(qū)動(dòng)源，但大量的觀測研究表明，不是所有正對(duì)地球的拋射都能造成影響，也不是所有不正對(duì)地球的CME就一定沒有影響。”中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授汪毓明對(duì)本報(bào)記者說，“CME傳播過程中會(huì)發(fā)生軌跡偏轉(zhuǎn)，我們從對(duì)地有效CME分布的不對(duì)稱分布出發(fā)進(jìn)行研究，就是為了能更好地了解哪些CME能到達(dá)并影響地球，這對(duì)CME相關(guān)的空間天氣預(yù)報(bào)有重要意義。”

我國學(xué)者統(tǒng)計(jì)研究了從1997年3月到2000年年底的132個(gè)發(fā)生于太陽正面的CME，發(fā)現(xiàn)其中共有59個(gè)CME引起了地磁暴，比例將近一半。奇妙的是，這59個(gè)對(duì)地有效CME的太陽表面源區(qū)分布呈現(xiàn)明顯的東西不對(duì)稱性，西邊的比東邊的多出57%。

“快速的CME從西邊往東邊偏，慢速的CME從東邊往西邊偏，而能造成明顯地磁效應(yīng)的CME多數(shù)是快速的，因此就造成了對(duì)地有效CME的日面源區(qū)位置分布的不對(duì)稱，其中西邊偏多。”汪毓明說。

基于這一思想，我國學(xué)者建立了一個(gè)描述CME偏轉(zhuǎn)的模型。該模型在2005年9月應(yīng)用于一系列同源CME事件研究中，較好地解釋了為什么這些源自同一個(gè)活動(dòng)區(qū)的CME有些撞擊到了地球，有些則沒有。

“目前基于該模型的CME對(duì)地有效預(yù)報(bào)模式仍在發(fā)展中。”汪毓明說。

扭纏的磁繩

日冕是太陽大氣的zui外層，里面充滿了溫度高、密度稀薄的等離子體（氣體溫度繼續(xù)上升后變成的另外一種狀態(tài)）。由于磁場在太陽內(nèi)部不斷產(chǎn)生，并浮現(xiàn)出來，因此，日冕的等離子體中充滿了磁場，而且磁場越來越復(fù)雜。

“就像擰毛巾一樣，越來越復(fù)雜的磁場會(huì)自動(dòng)彎曲，變成像繩子一樣的扭纏結(jié)構(gòu)。其中的磁能不斷累積，當(dāng)它達(dá)到某種亞穩(wěn)態(tài)之后，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)就容易被觸發(fā)而爆發(fā)出來。”南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授陳鵬飛對(duì)本報(bào)記者說，“因此，觸發(fā)機(jī)制研究是CME研究很重要的一部分。目前提出的機(jī)制包括低層大氣的磁重聯(lián)、新浮磁流、日冕磁繩上方的磁重聯(lián)、磁場剪切運(yùn)動(dòng)和磁通量注入，以及一些不穩(wěn)定性。”其中新浮磁流觸發(fā)機(jī)制就是陳鵬飛及合作者提出來的，目前單篇文章引用達(dá)140余次，被美國同行在綜述文章中列為五大主流模型之一。2011年陳鵬飛也應(yīng)邀為雜志撰寫關(guān)于CME的綜述文章。

日冕磁繩是日冕磁場變得復(fù)雜的一種很典型的結(jié)構(gòu)。當(dāng)CME到達(dá)地球附近時(shí)，科學(xué)家也經(jīng)常能探測到磁繩結(jié)構(gòu)。

“在早期，理論工作者較多認(rèn)為CME源于磁繩的爆發(fā)。”陳鵬飛說，“磁繩結(jié)構(gòu)容易被觸發(fā)而拋射出來，而且它一旦被觸發(fā)并開始上升運(yùn)動(dòng)，很容易在它下方形成一個(gè)電流片，而電流片的磁重聯(lián)會(huì)加劇磁繩的拋射。但由于日冕的磁場尚無法直接測量，因此這種觀點(diǎn)一直有爭議?，F(xiàn)在一般認(rèn)為較多的CME確實(shí)對(duì)應(yīng)磁繩的拋射，但也有部分CME開始沒有磁繩結(jié)構(gòu)。”

在CME觸發(fā)的磁繩災(zāi)變機(jī)制研究方面，我國科學(xué)家自主構(gòu)建了CME磁繩災(zāi)變數(shù)值模型，提出了一整套磁流體力學(xué)（MHD）災(zāi)變的數(shù)值模擬方法，并以此為基礎(chǔ)圍繞日冕磁繩災(zāi)變的觸發(fā)機(jī)制和磁場能量的釋放機(jī)理取得了系列成果，青年學(xué)者獲有關(guān)獎(jiǎng)項(xiàng)。

過去10年中，以我國學(xué)者為主，在日冕物質(zhì)拋射的觸發(fā)機(jī)制、傳播演化過程以及對(duì)地有效性方面開展了系統(tǒng)的研究工作，取得了一批具有影響的成果和進(jìn)展，獲得了同行的好評(píng)。該領(lǐng)域數(shù)名年輕的學(xué)者獲國家自然科學(xué)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、*“973”*個(gè)人獎(jiǎng)、首屆美國地球物理學(xué)會(huì)日地系統(tǒng)科學(xué)Basu-Early Career Award。

其中關(guān)于日冕EIT波的傳播機(jī)制模型被EIT望遠(yuǎn)鏡科學(xué)家、英國倫敦大學(xué)學(xué)院的L. K. Harra教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組發(fā)表3篇觀測性論文支持。該模型及圖片也被美國的Aschwanden寫入教科書。對(duì)CME的不對(duì)稱分布以及行星際空間中的偏轉(zhuǎn)傳播理論，也獲得了廣泛的引用。

日冕物質(zhì)拋射及其對(duì)地有效性研究獲系列成果