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实验室科研人员给出快速太阳风暴事件传播演化的一体化图像

2022年10月09日 星期日 10:34:04

太阳风暴(CME)是从太阳抛向行星际空间的大尺度磁化等离子体,具有很强的空间天气效应。快速CME及其激波到达地球附近时,可能引发强烈的地磁暴。因此,理解快速CME及其激波的三维结构、在日冕和行星际空间中的传播和演化过程对空间天气来说尤为重要。

2020年11月29日爆发了一个大的快CME事件,此CME的爆发伴随着 M4.4 级的耀斑,造成了第25太阳活动周第一个II型射电暴和第一个广泛分布的太阳高能粒子事件,这也是Parker Solar Probe (PSP)卫星发射以来观测到的第一个大的爆发事件。地球和卫星的位置图表明,包括PSP、STEREO A、SDO和Wind卫星(地球附近)等在内的多颗卫星,可以对此爆发事件进行多角度的遥感成像观测和多点的太阳风就地测量(图1)。多颗卫星的联合观测将有利于对此CME的传播、膨胀以及对日球层的影响进行分析。刘颍研究员课题组结合多视角与多波段的遥感成像观测、以及多点的就地测量数据,对此快速CME进行了包括从太阳源头、行星际传播、到多点撞击的一体化研究。

图1:2020年11月29日卫星与行星在黄道面上的位置。

图2:爆发源区磁场构型及不同视角的极紫外观测图像。

图3:CME和激波在太阳附近的拟合结果。

研究发现,爆发源区位于环形闭合磁拱的下方,并被相同极性的磁力线所包围。爆发初期CME磁流绳有较大的倾斜角度,并发生了快速的膨胀和加速,伴随着明显的日冕变暗和EUV波(图2)。基于日冕仪图像的GCS拟合结果表明,CME磁流绳在太阳附近时有较大的倾斜角度和角宽度,与极紫外观测结果相符合(图3)。CME驱动的激波呈现出椭球型的结构,并且从SOHO 和STEREO A 视角来看激波包围住了整个太阳(图3),这有助于解释位于爆发背面的Solar Orbiter 观测到了太阳高能粒子事件。CME和激波在爆发之后的1小时内快速加速到最大速度 2200 km/s,展现出典型的快速事件速度轮廓。激波膨胀的速度远大于激波中心的平移速度,表明激波的结构和对日球层的潜在影响主要是由其径向和侧面膨胀决定的。

图4:WSA–ENLIL 模拟在黄道面上的密度与速度分布。

WSA-ENLIL模拟结果表明,CME到达了PSP 和 STEREO A,并且拥有较大的角宽度(图4第一行)。从图4底部的两幅图可以看出,CME的后侧面很可能以相对较低的速度和密度掠过地球。

图5:太阳风就地测量。左:PSP;中:STEREO A;右:Wind。模拟数据为红色虚线。

从PSP就地测量数据可以看出,激波于11月30日18:35 UT到达PSP,后面跟随着鞘区和ICME结构(图5左)。PSP观测到的磁场BN分量主要为北向,说明CME磁流绳可能有较大的倾斜角,这与遥感成像观测得到的结果相符合。模拟结果(红色虚线)预测的激波到达时间和PSP 就地观测到的激波到达时间一致。由于PSP在这段时间没有等离子体数据,我们使用模拟的结果来估算激波到达PSP时的速度,大约为850 km s-1

STEREO A就地测量数据表明,激波到达STEREO A的时间为12 月1日07:20 UT 左右,激波的速度大约为700 km s-1(图5中)。模拟预测的到达时间比观测值早5小时左右,预测的激波速度(850 km s-1)比观测值略高。在模拟结果平移之后,模拟得到的速度和密度轮廓与就地测量数据很相似。STEREO A 观测到的磁场强度表现出逐渐降低的轮廓,这和PSP的观测结果很相似。

地球位于偏离CME传播方向90多度的位置(图1),仅仅根据爆发源区的位置以及CME和激波的传播方向来判断,CME/激波可能不会到达地球。Wind卫星(地球附近)的就地测量数据看起来不像是一个典型的ICME,我们根据质子温度与磁场强度的轮廓给出了一个ICME的可能区间(图5右)。通过与WSA-ENLIL模拟结果的比较,发现虽然模型高估了密度值,但是密度的轮廓与就地观测数据相符合,并且预测的CME到达时间与就地观测数据一致。这说明,由于CME在经度上的大规模膨胀,CME的远侧面(CME的腿)确实到达了地球,但是没有明显的激波特征。这是令人惊讶的结果,因为一般认为激波的尺度要大于CME,这说明侧向激波在到达1 AU之前发生了衰减,这与刘颍等人(2017, 2019)的结果一致。

该论文发表于《The Astrophysical Journal》,第一作者为研究生陈冲。此项研究工作表明,结合多角度、多波段成像观测以及多点太阳风就地测量,可给出太阳风暴从太阳源头、到行星际传播、到对日球层影响的一体化物理图像,对提高空间天气预报能力具有重要意义。审稿人评价: “It (can) be an excellent thesis chapter”, “It is well written, it demonstrates a thorough understanding of the life cycle of a CME, and it applies a number of industry-standard analysis methods to the available data.”

Citation:

Chong Chen, Ying D. Liu*, and Bei Zhu, Multispacecraft Remote Sensing and In Situ Observations of the 2020 November 29 Coronal Mass Ejection and Associated Shock: From Solar Source to Heliospheric Impacts, 2022, The Astrophysical Journal, 937, 44

( https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac7ff6)



 

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