2023

日冕行星际研究室在太阳爆发过程建模研究方面取得进展

发布时间:2023-02-17 作者:
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日冕物质抛射/耀斑,是发生在太阳大气中的活动现象,剧烈的爆发会导致日地空间环境的显著变化。然而,目前对太阳爆发前的能量积累过程,以及爆发的触发机制仍然缺乏足够的认识。通常认为,日冕磁场主导了爆发活动,但由于缺乏对三维日冕磁场的直接测量,日冕中物理过程的数值建模研究,不仅对解释太阳爆发机制这一重要科学问题有着学术意义,且对于准确的太阳爆发预报有着直接的应用价值。

为定量刻画活动区真实演化,以光球磁场作为驱动的数据,人们能够模拟得到从缓慢演化到快速爆发的整个日冕过程。然而除磁场外,观测发现太阳黑子有时会呈现明显的旋转、汇聚运动,爆发前正负黑子之间也存在着明显的剪切流动,这些复杂的光球速度场有助于磁自由能的积累,与爆发过程密切相关。那么光球速度是否也可以作为底边界条件驱动模式,重现活动区及日冕的动力学过程甚至是爆发呢?模拟得到的爆发时刻和观测相比又可以准确到什么程度?为了回答这些问题,前人尝试采用速度驱动的方法得到了活动区的演化,但未能成功模拟出爆发过程。近日,王心逸博士生等(哈工大深圳江朝伟教授为通讯作者),首次应用速度驱动模拟重现了活动区从准静态演化到爆发的完整动力学过程,分析了目标事件可能的触发机制,模拟结果和事件观测特征在多个方面有着较高的一致性。

针对高产的活动区AR11429在2012年3月5日产生的第一个X级耀斑,基于SDO/HMI的矢量磁图数据,日冕的三维MHD模型由DAVE4VM方法反演得到的时序光球速度场作为底边界条件,进行连续的驱动。

整个模拟过程如图一(动画)所示,爆发前,在左上图中可以看到:磁力线保持为简单的磁拱,其足点随着底面速度场不断运动;右上图中,整体速度比较低,保持在百公里每秒的量级。与此同时,第一行中间的图中显示的电流结构不断发展,磁自由能不断积累,但动能一直保持在非常低的水平(右下图)。直到爆发时刻,磁力线由简单磁拱重联为高度扭缠的结构,产生高速的出流引起动能快速上升,并且在抛射物质的前沿产生明显的电流结构积累(激波),代表了一次明确的爆发事件。值得注意的是,模拟出的爆发时刻距初始时刻27.4个小时,而实际观测中,这一时间间隔为27.6个小时,模拟结果和观测值非常接近,差距仅为12分钟。

图1:左上图展示了磁力线随底边界速度场的运动;中上和右上图分别为磁绳中垂面上,电流结构和速度分布的时间演化;左下图展示了准分界层(QSL);右下图是动能随时间的演化。

整体日冕形态也有着较高的一致性:在图2中,爆发前AIA-171、AIA-094波段的观测图像,分别和模拟出的磁力线结构、依据电流算出的等效辐射强度图十分相似。

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图2:(左一)模拟出的爆发前磁力线结构;(左二)爆发前的AIA-171波段观测图像,与左一做对比;(右一)爆发前AIA-131波段的增亮;(右二)模拟出的爆发前等效辐射强度,与右一做对比。

在图3所示的爆发过程中,AIA-1600观测到的增亮和模拟得到的准分界层QSL)(图中标记为N和P的深色红/蓝线条,代表耀斑可能出现的位置),在形态和时序演化上都比较对应,这些一致性都证明了模拟的可靠性。)

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图3:上面四幅图展示了AIA-1600波段的增亮,代表耀斑带;下面四幅图中N和P所示的深红、蓝色区域,分别代表磁负极和正极区域的QSL,是重联最可能发生的区域因而用来代表耀斑带,与上面四幅图分别做对比。

在爆发前不同时刻,扭缠数Tw=-1的等值面如下图4所示,可以看出,扭缠结构(磁绳)的体积不断增长,最终进入了torus不稳定区域(图4B中白色部分,高度大于60Mm),然后由torus不稳定性触发爆发。

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图4:爆发前扭缠数Tw=-1的等值面。

为了进一步分析磁绳的形成过程,速度驱动在t=105 min停止。此后即便没有速度驱动,在t=105 min之后磁绳也可以类似的过程自发形成,产生一次强度相似的爆发,如图5中红色曲线(V0D)所示,这更加有力地证明了触发机制应为磁绳的不稳定性。仅由光球水平速度也可以产生一次稍弱的爆发(V2D,图5中蓝色曲线),但此时能量和磁通量的演化曲线都和观测差距较大。因此,即便竖直方向的速度对爆发并不是必须的,其导致的磁浮现过程,对重现本次爆发事件的真实观测特征仍然十分重要。

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图5:(A)不同模拟结果的能量演化曲线,绿色(三维速度驱动)、蓝色(仅水平速度)、红色(在t=105min后不采用速度驱动);(B)不同模拟结果中的无符号磁通量演化曲线,黑色曲线“OB”代表观测的视向磁通量,其余颜色含义与A相同。

论文发表于The Astrophysical Journal Letters(《天体物理学报通信》)。本次研究结果表明,以光球速度驱动模型,可以重现完整的太阳爆发过程,结果能够较为真实地还原定量(磁能、磁通量、爆发时刻)和形态(爆发前日冕结构和爆发阶段的耀斑带演化)方面的观测特征。论文同时讨论了速度驱动模型可以改进的方向,这些对于揭示太阳爆发的触发机制,以及实现准确的空间天气预报有着重要意义。

论文信息:

WANG X, JIANG C, FENG X. MHD Simulation of a Solar Eruption from Active Region 11429 Driven by a Photospheric Velocity Field. The Astrophysical Journal Letters, 2023, 942(2): L41

DOI: https://doi.org/10.3847/2041-8213/acaec3.