Science:預測耀斑的新物理模型

2021-01-11 中科院地質地球所

Science：預測耀斑的新物理模型

耀斑是太陽上最壯觀的爆發活動現象，可以導致劇烈的空間天氣擾動，對太空人和天基地基的技術系統帶來巨大危害。太陽耀斑會產生劇增的電磁輻射和高能粒子，而電磁輻射約8分鐘就可以到達地球，如此短的時間使得我們來不及做相應的防禦措施。因此更早的預測耀斑發生特別是大耀斑的發生，顯得尤為重要。然而，受日冕磁場無法直接測量的限制，對於可靠預測耀斑發生所必需的物理條件仍處在爭論中。現在的耀斑預測多是基於光球磁場參數的經驗模型，如活動區總磁通量、強磁場梯度等，然而經驗模型的預測準確度還很差。Kusano et al. (2020) 引入一種預測太陽耀斑的新物理模型，即通過觸發磁重聯的磁流體動力學(MHD)不穩定性的臨界條件預測大耀斑的發生，並對第24太陽活動周發生的幾個大耀斑測試成功。

太陽耀斑中能量釋放的一種合理機制是MHD不穩定性和磁重聯之間的正反饋，它們之間相互加強，導致能量從磁場中失控地釋放。因此，MHD不穩定性可能是太陽耀斑爆發的必要條件。前人研究提出了太陽耀斑爆發時電流驅動的不穩定性——環面模式（torus）和扭結(kink)模式，但這兩種不穩定性與耀斑初始觸發的關係依舊不清楚，所以還沒有基於MHD不穩定性的耀斑預測模型。Ishiguro and Kusano (2017)提出雙拱不穩定性（double-arc instability ，DAI）可能是導致耀斑初始觸發的原因。DAI由施加在日冕載流磁環的洛倫茲力驅動的，與環面不穩定性類似，但與其不同的是DAI明確地解釋了磁重聯的觸發效應。如圖1所示，雙拱不穩定性始於兩個剪切磁環之間的小尺度磁重聯，這一過程將形成攜帶磁自由能的雙拱磁環，稱為「觸發重聯」。隨著不穩定性的發展，雙拱磁環將向上運動，導致進一步的磁重聯，形成不穩定性的正反饋，釋放雙拱磁環的自由能。當雙拱的極向磁通量與覆蓋其上的穩定磁場的磁通量的比值

超過一個臨界值

（～0.1）之後，就會觸發雙拱不穩定性，這一條件是觸發雙拱不穩定性的充分必要條件。基於這一判據，Kusano等提出了一個新的耀斑預測模型，稱之為。

圖1 太陽耀斑磁能釋放過程示意圖（Veronig, 2020）

在使用該模型預測耀斑時，需要根據光球磁圖外推出活動區上方的日冕磁場，並根據得出的磁場計算沿磁中性線（PIL）不同位置處不穩定性發生的最小臨界尺度rc和通過不穩定性可以釋放的磁能Er。其中rc為滿足判據

的臨界半徑，其值越小意味著PIL附近磁場剪切越嚴重，磁場越不穩定，DAI越容易發生，耀斑越容易爆發。

作者首先用該模型對活動區（AR）12673進行了分析。分析發現，在該活動區9月6日兩個大耀斑發生前都滿足rc< 1Mm且Er> 1032erg（圖2）的條件，這說明當滿足該條件時大耀斑將會發生。耀斑發生後，rc重新上升到1 Mm以上，說明耀斑爆發後該區域磁場又逐漸變得穩定。

圖2 軟X射線光變曲線和AR 12673的分析結果。（A）軟X射線光變曲線（B）觸發重聯的最小臨界尺度rc的時間演化（A,B）中兩條豎線分別標示兩個X級耀斑的觸發時刻Sep 6 08:57 UT（X2.2）和Sep 6 11:53 AUT(X9.3) (C,D) 高自由能區域磁中性線上所有點的rc和Er （Kusano et al., 2020）

圖3 2006年至2019年間觀測到的活動區統計結果。（A）沒有爆發X2級以上耀斑的活動區（B）爆發過X2級以上大耀斑的活動區（Kusano et al., 2020）

2014年10月AR12192活動區的兩個X2級以上大耀斑在爆發前都沒有出現滿足X級耀斑觸發條件的情況（見圖3B），說明耀斑預測方法對該活動區大耀斑不適用。該活動區產生了多個大耀斑，其中有6個X級耀斑，這些大耀斑有一個共同點是都沒有伴隨日冕物質拋射。Kusano et al. (2020) 對該活動區大耀斑預測的失敗，說明對不伴隨日冕物質拋射的約束耀斑(confined flares)的預測還有特殊的困難。這可能是由於約束耀斑重聯發生在相對高的日冕或者上面有強磁場束縛爆發。

預測太陽耀斑是一項非常具有挑戰性的任務。這個物理過程非常複雜，涵蓋了大範圍的空間尺度，而目前卻缺乏日冕磁場這樣的關鍵參數。並且，耀斑具體內稟的隨機特性也是不能被排除的。儘管如此，研究者還是提出了解決這個問題的各種方法。於2019年12月初光觀測的4米口徑井上太陽望遠鏡(DKIST)將提供高解析度的太陽磁場測量以及對耀斑研究至關重要的日冕磁場的測量。這些關鍵數據可以幫助我們更好地理解太陽耀斑的物理過程，更準確地確定太陽耀斑的觸發條件，為太陽耀斑預測提供重要的觀測支持。

【致謝：感謝中科院國家天文臺李婷研究員和比利時魯汶大學阮文治博士的寶貴修改建議。】

主要參考文獻

Kusano K, Iju T, Bamba Y, et al. Aphysics-based method that can predict imminent large solar flares[J]. Science,2020, 369(6503): 587-591.

Ishiguro N, Kusano K. Double arc instability in the solar corona[J].The Astrophysical Journal, 2017, 843(2): 101.

Veronig A M. Can we predict solar flares?[J]. Science, 2020,369(6503): 504-505.

（撰稿：閆麗梅/地星室）

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