科學網—日冕物質拋射及其對地有效性研究獲系列成果

2020-12-06 科學網

 

磁場重聯對日冕物質拋射動力學影響的數值解

 

□本報記者 張雙虎

 

日冕物質拋射（CME）是太陽大氣中最猛烈的爆發現象之一，同時也是空間災害性天氣事件的最重要驅動源之一。

 

在人類大力發展航天活動的趨勢下，研究CME的觸發、形成以及傳播演化過程，對於深入理解日冕、行星際空間天氣過程，預報CME的空間天氣效應，準確掌握地球空間環境狀況，提供空間環境保障均具有重大意義。

 

兩萬次強震 百萬座火山

 

「太陽系最劇烈的能量和物質釋放過程主要是CME和太陽耀斑。一次CME攜帶的能量相當於同時發生2萬個9級大地震，一個典型的耀斑單位時間內釋放的能量相當於10萬至100萬次強火山爆發的總能量。」中國科學院空間科學與應用研究中心副主任王赤對本報記者說，「而且，這些都是太陽上最劇烈、最頻繁的爆發活動。」

 

太陽耀斑是太陽大氣（主要在色球和日冕）局部區域突然釋放出巨大能量的效應，會導致電子、質子和重離子的加熱和加速。耀斑發生時，強烈的輻射可以覆蓋從γ射線、紫外線、可見光，到射電波整個電磁波譜。

 

CME是太陽低日冕中的物質瞬時向外膨脹並噴射的現象。一個大的CME可含有10億乃至百億噸物質，這些物質被加速到每秒幾百甚至上千公裡。太陽活動最大年，太陽每天產生大約6 次CME，而活動最小時，大約每2天產生1次。快速CME向外的速度可達每秒2000公裡以上，而正常的太陽風速度約每秒300~700公裡。CME的等離子體物質傳播到地球附近的行星際空間時就會擾動地球磁場，產生地磁暴和電離層暴等現象，造成空間天氣的劇烈變化，對人們的生產生活產生影響，嚴重時會引起衛星失控，破壞通訊、電網以及導航，並威脅到太空人的生命安全。

 

「CME相關問題是當前空間物理和太陽物理領域的熱門課題之一，尤其CME的對地有效性在空間天氣學研究以及空間天氣預報方面有著極其重要的價值。」王赤說，「目前研究主要集中在CME的起源、觸發機制、傳播和演化規律、對地球空間環境的影響、與其他太陽爆發現象的關係等方面。」

 

太陽衝誰「發火」

 

太陽「脾氣火暴」，而且隔三岔五就要發作一次。不過很多時候它並沒衝地球「發火」。這就給科學家提出一個重要問題——CME能否到達地球並對地球環境產生影響，即CME的對地有效性。

 

「CME是災害性空間天氣事件的主要製造者或驅動源，但大量的觀測研究表明，不是所有正對地球的拋射都能造成影響，也不是所有不正對地球的CME就一定沒有影響。」中國科學技術大學教授汪毓明對本報記者說，「CME傳播過程中會發生軌跡偏轉，我們從對地有效CME分布的不對稱分布出發進行研究，就是為了能更好地了解哪些CME能到達並影響地球，這對CME相關的空間天氣預報有重要意義。」

 

我國學者統計研究了從1997年3月到2000年年底的132個發生於太陽正面的CME，發現其中共有59個CME引起了地磁暴，比例將近一半。奇妙的是，這59個對地有效CME的太陽表面源區分布呈現明顯的東西不對稱性，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的CME多數是快速的，因此就造成了對地有效CME的日面源區位置分布的不對稱，其中西邊偏多。」汪毓明說。

 

基於這一思想，我國學者建立了一個描述CME偏轉的模型。該模型在2005年9月應用於一系列同源CME事件研究中，較好地解釋了為什麼這些源自同一個活動區的CME有些撞擊到了地球，有些則沒有。

 

「目前基於該模型的CME對地有效預報模式仍在發展中。」汪毓明說。

 

扭纏的磁繩

 

日冕是太陽大氣的最外層，裡面充滿了溫度高、密度稀薄的等離子體（氣體溫度繼續上升後變成的另外一種狀態）。由於磁場在太陽內部不斷產生，並浮現出來，因此，日冕的等離子體中充滿了磁場，而且磁場越來越複雜。

 

「就像擰毛巾一樣，越來越複雜的磁場會自動彎曲，變成像繩子一樣的扭纏結構。其中的磁能不斷累積，當它達到某種亞穩態之後，這種複雜的結構就容易被觸發而爆發出來。」南京大學天文與空間科學學院教授陳鵬飛對本報記者說，「因此，觸發機制研究是CME研究很重要的一部分。目前提出的機制包括低層大氣的磁重聯、新浮磁流、日冕磁繩上方的磁重聯、磁場剪切運動和磁通量注入，以及一些不穩定性。」其中新浮磁流觸發機制就是陳鵬飛及合作者提出來的，目前單篇文章引用達140餘次，被美國同行在綜述文章中列為五大主流模型之一。2011年陳鵬飛也應邀為國際雜誌撰寫關於CME的綜述文章。

 

日冕磁繩是日冕磁場變得複雜的一種很典型的結構。當CME到達地球附近時，科學家也經常能探測到磁繩結構。

 

「在早期，理論工作者較多認為CME源於磁繩的爆發。」陳鵬飛說，「磁繩結構容易被觸發而拋射出來，而且它一旦被觸發並開始上升運動，很容易在它下方形成一個電流片，而電流片的磁重聯會加劇磁繩的拋射。但由於日冕的磁場尚無法直接測量，因此這種觀點一直有爭議。現在一般認為較多的CME確實對應磁繩的拋射，但也有部分CME開始沒有磁繩結構。」

 

在CME觸發的磁繩災變機制研究方面，我國科學家自主構建了CME磁繩災變數值模型，提出了一整套磁流體力學（MHD）災變的數值模擬方法，並以此為基礎圍繞日冕磁繩災變的觸發機制和磁場能量的釋放機理取得了系列成果，青年學者獲有關國際獎項。

 

過去10年中，以我國學者為主，在日冕物質拋射的觸發機制、傳播演化過程以及對地有效性方面開展了系統的研究工作，取得了一批具有國際影響的成果和進展，獲得了國際同行的好評。該領域數名年輕的學者獲國家自然科學進步獎一等獎、科技部「973」先進個人獎、首屆美國地球物理學會日地系統科學Basu-Early Career Award。

 

其中關於日冕EIT波的傳播機制模型被EIT望遠鏡首席科學家、英國倫敦大學學院的L. K. Harra教授領導的研究組發表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CME的不對稱分布以及行星際空間中的偏轉傳播理論，也獲得了廣泛的引用。

 

《科學時報》 (2011-10-31 A4 基金)

相關焦點

  • 日冕物質拋射及其對地有效性研究獲系列成果
  • 日冕物質拋射形成過程研究獲進展
    8月21日，《天體物理學雜誌》（The Astrophysical Journal）在線發表了中國科學院雲南天文臺和雲南師範大學合作完成的關於日冕物質拋射形成過程的最新研究成果
  • 科學網—太陽風和日冕物質拋射
    太陽風和日冕物質拋射行星際閃爍測量可以探測到在廣角及分光光譜日冕探測儀視場以外的行星際日冕物質拋射通道，並可以提供它們的速度信息。 歐洲的非相干散射雷達和多天線微波連接幹涉儀網絡系統，其視場範圍可以覆蓋10~20個太陽半徑，可以提供太陽風內部區域的行星際日冕物質拋射的信息，行星際閃爍測量還可以提供行星際日冕物質拋射之前的太陽風速度測量。
  • 日冕物質拋射研究取得重要進展
    近日由我校汪毓明教授領導的日地空間物理課題組在太陽大氣噴流觸發高速日冕物質拋射方面取得重要進展。它們被認為可能對日冕加熱和太陽風加速有重要貢獻。而日冕物質拋射（CME）則是一種泡狀結構的爆發活動，通常以極高的速度向行星際空間和地球注入大量的等離子體物質和能量，可以對地球周圍的空間環境、人類的航天活動和電力、通訊產生重要影響。但是這兩種太陽大氣中的爆發活動是否有所聯繫？
  • 日冕物質拋射
    ，CME定義：日冕局部區域內的物質大規模快速拋射現象。從20世紀70年代開始，通過放置在太空飛行器上的白光日冕儀觀測發現，太陽最外層大氣中存在相當頻繁的瞬變現象，主要是日冕物質拋射（CME）。CME表現為在幾分鐘至幾小時內從太陽向外拋射一團日冕物質，速度在每秒20至3000千米之間，質量達10的11次方至13次方千克，使很大範圍的日冕（近於一個日輪面積）受到擾動，從而劇烈改變了日冕的形態和磁場位形。CME是日冕大尺度磁場平衡遭到破壞的產物。白光日冕儀中看到的CME形態結構非常複雜和多樣化，典型的形態是膨脹的泡環狀，前端是亮環，中間是空腔，最後是亮核，亮環的雙腿紮根在太陽上。
  • 紫金山天文臺等在日冕物質拋射研究方面取得進展
    日冕物質拋射(CME)是太陽上的大尺度爆發現象，伴隨著大量的物質和能量釋放，是空間天氣預報的一個研究重點。自1995年SOHO衛星上天以來，日冕物質拋射的研究都局限在二維。對於朝向地球傳播的暈狀日冕物質拋射，投影效應對真實地判斷其傳播速度、預測其何時到達地球，有相當大的影響。
  • 中國科大最新研究表明太陽噴流觸發日冕物質拋射
    中國科大汪毓明教授領導的日地空間物理課題組最新研究表明，有別於經典的日珥觸發日冕物質拋射的模型，相對沒有那麼劇烈的太陽噴流同樣可以觸發十分劇烈的日冕物質拋射事件。
  • 太陽風暴來襲之日冕物質拋射
    今天我們就撥開雲霧見日明，聊一聊太陽大氣中最重要的爆發現象之一：日冕物質拋射（coronal mass ejections，簡稱 CMEs）。因為如果不了解它的脾氣，雖不至地球毀滅，後果還是蠻嚴重的。什麼是日冕物質拋射？
  • 雲南天文臺等發現日冕物質拋射的亮前沿具有三層結構
    近日，中國科學院雲南天文臺太陽活動及CME理論研究團組成員、博士梅志星及其合作者，通過三維磁流體動力學（MHD）數值實驗，研究太陽大氣中日冕物質拋射（CME）的三維大尺度結構，相關研究成果發表在天文學期刊《天體物理學雜誌-通訊》（The Astrophysical Journal Letter）上。日冕物質拋射通常是由向上爆發的磁通量繩引起的。
  • 日冕物質拋射發生不可思議碰撞 持續16小時
    騰訊科學訊（Everett/編譯）據國外媒體報導，來自美國海軍研究實驗室和中科大的研究人員捕捉到日光層發生的兩個日冕物質拋射碰撞現象，相關記錄設備收集到了類似的太陽事件，在此之前美國宇航局的日地關係天文臺完成了對太陽日冕物質拋射的觀測任務。
  • 美國航天局公布日冕物質拋射照片
    日前，美國航天局發布了一組有關太陽「日冕物質拋射」的照片。日冕物質拋射（coronal mass ejection）是巨大的、攜帶磁力線的泡沫狀氣體，在幾個小時中被從太陽拋射出來的過程。
  • [中國廣播網]中國科大首次發現日冕物質拋射超彈性碰撞現象
    中廣網合肥10月8日消息（記者劉軍 通訊員楊保國）記者今天（8日）從中國科技大學獲悉，中國科技大學地球和空間科學學院、中科院近地空間環境重點實驗室汪毓明教授領導的日地物理研究組與在美科學家合作，利用美國國家航空航天局的日地關係觀測衛星（STEREO）的數據，首次發現行星際空間中最大的等離子體團——日冕物質拋射之間的碰撞可能是超彈性碰撞。
  • 空間中心以觀測數據驅動模擬再現日冕物質拋射觸發過程
    日前，日冕物質拋射（Coronal Mass Ejections，CME）數值模擬研究取得突破性進展。中科院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室太陽-行星際-地磁天氣團隊(Solar-Interplanetary-GeoMAgnetic Weather Group, 簡稱SIGMA天氣組)：江朝偉（第一作者）、馮學尚（通訊作者）同美國阿拉巴馬大學空間物理學家合作，首次以SDO時序觀測數據驅動模擬再現了2011年9月6日發生於活動區AR 11283的日冕物質拋射觸發過程。
  • 日冕物質拋射難預測:對航空乘客構成致癌輻射
    ，最新研究顯示日冕物質拋射將對人類產生致癌輻射，並且很難預測它們什麼時候發生。　　新浪科技訊 北京時間7月3日消息，據國外媒體報導，目前，英國雷丁大學科學家稱，日冕物質拋射（CMEs）是類似雲層的結構，當它掠過地球時，受到太陽風的影響作用。　　這意味著日冕物質拋射的運行很難預測，並非之前預測的單個泡沫狀實體。與日冕物質拋射直接碰撞將帶來災難性後果，甚至它能對潛在暴露日冕物質拋射環境的航空乘客構成威脅，產生致癌輻射效應。
  • 太陽的「噴嚏」——日冕物質拋射
    其中壓抑的磁性能量，將大氣中的物質拋射出去。從而形成「日冕物質拋射」。有人形容這一現象是太陽打了一個噴嚏。日冕物質拋射是太陽系內規模最大，日冕物質拋射爆發時，拋出大量的等離子體和以及固結其中的磁場結構（磁通量）。而大量物質和巨大能量將在太陽大氣以及行星際空間產生激波。當拋射物抵達地球時就會擾亂地球磁層，壓縮向日面和使背日面延伸成尾狀。當在背日面的磁層重連結時，它創造出數兆瓦特能量，從地球後方傾入上層大氣。此過程造成特別強的極光。同時這些來自太陽的帶電粒子，會突然產生巨大的電湧，進入地球磁場。
  • 太陽的「噴嚏」——日冕物質拋射
    其中壓抑的磁性能量，將大氣中的物質拋射出去。從而形成「日冕物質拋射」。有人形容這一現象是太陽打了一個噴嚏。日冕物質拋射是太陽系內規模最大，程度最劇烈的能量釋放過程。日冕物質拋射爆發時，拋出大量的等離子體和以及固結其中的磁場結構（磁通量）。
  • 科學家發現其它恆星出現日冕物質拋射現象!
    研究人員還表示，他們首次清楚地探測到一顆遙遠的恆星正在發生一種類似日冕物質拋射的噴發活動，迄今為止，這種噴發活動一直以來只在我們的太陽上被觀察到。義大利巴勒莫大學天體物理學家Costanza Argiroffi說，這樣的爆炸活動可能會對恆星周圍的任何星球均造成嚴重破壞。科學家們對我們太陽的星體動力學最熟悉了。太陽耀斑是太陽系中最大的爆炸。
  • 太陽生命的爆發:太陽黑子、耀斑及日冕物質拋射
    本文參加百家號 #科學了不起# 天文航天系列徵文賽。仿佛為了體現自己的存在感。太陽上演了一幕爆發力十足的表演秀：太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射（CMEs）。截至目前，太陽圓盤沒有任何可見活動，然而三個太陽黑子如同入侵者一般翻滾著出現，畫出了複雜的磁場線圓弧（冠狀環），用本年度最大的耀斑向著太空拋射等離子流。觀測者們還記錄了日冕物質拋射中產生的射電。
  • 看太陽,就知道是否有致命太陽耀斑和日冕物質拋射
    通常情況下太陽耀斑會伴隨著日冕物質拋射(CME)。日冕物質拋射是物質和電磁輻射進入空間的過程。這種磁化等離子體主要是質子和電子。日冕物質拋射通常只是分散到空間中，但並非總是如此，如果它的目標是地球的方向，地球極圈很可能會得到更多的極光活動。極光的第二個原因是太陽表面的日冕洞。日冕洞是太陽表面的一個區域，它比周圍的區域更冷，密度也更小。
  • 終於在太陽系外發現了除太陽外的日冕物質拋射!
    這是地球人首次在太陽系外觀測到除太陽以外的恆星日冕物質噴射！所謂日冕物質其實就是太陽的產物，與恆星表面的活躍區域有關。一般是從太陽的日冕層拋射出來的物質。它是一種巨大的、攜帶磁力線的泡沫狀氣體，日冕拋出的物質一般包括電子和質子組成的等離子，此外還有少量的重元素，例如氦、鐵，以及伴隨著的日冕磁場。它們的產生經常伴隨著太陽耀斑，並如果物質的拋射離恆星表面很近，就稱為日珥。如果物質移動的距離超過這個距離，就叫做日冕物質噴射。在我們自己的太陽上，日冕物質拋射並不罕見，它被稱為coronal mass ejection，簡稱CME。