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实验室科研人员揭示连续耀斑爆发与活动区关键物理参数的关联

2022年10月09日 星期日 15:39:26

太阳耀斑是剧烈的太阳活动现象,被定义为太阳表面局部区域突然和大规模的能量释放过程。在活跃的活动区中,耀斑会连续发生,并伴随着连续爆发的CME,可能形成如刘颍等人(2014,2019)提出的“完美风暴”情况,造成极端的空间天气事件。研究同一活动区内耀斑的连续爆发具有重要的科学意义。如何在较长的时间跨度内选取出与同一活动区连续耀斑爆发最相关的物理参数,使其可以较为准确地指示活动区内连续的耀斑活动,是一个重要的科学问题。

SDO卫星上搭载的HMI仪器从2010年开始便对全日面的矢量磁场进行高分辨率观测。HMI还提供了Space-weather HMI Active Region Patch (SHARP)数据集,包含一系列活动区的磁场相关参数,可作为耀斑研究和预报中的初步参数。本研究工作使用了16种SHARP参数来将活动区参数化,其物理意义包括了电流螺度、垂直电流、净电流、磁场梯度、自由能等。

图1:耀斑包络线示意图。图(a)为GOES卫星的软X射线通量曲线,图(b)为对应时间内的耀斑包络线。

通常用于度量耀斑爆发的参数是GOES卫星所测量的软X射线通量。然而,我们发现,在较长的时间跨度里,软X射线通量的不平滑度会给研究带来困难。为了解决这一问题,我们提出了“耀斑包络线”概念。提取出活动区中每一个大于C1.0级别的耀斑,使用其峰值流量与时间代表该耀斑,并在耀斑之间使用线性插值填充以得到关于时间的连续演化曲线(见图1)。

我们使用相关性分析、以及Natural Gradient Boost (NGBoost)机器学习算法,来讨论不同物理参数与耀斑包络线之间的关联程度。第一种方法通过比较耀斑包络线与对应磁场物理参数的相关系数,来寻找与耀斑爆发更为关联的参数。根据相关系数的平均值与方差,获得了与耀斑包络线最为关联的七个磁参数,分别为:平均垂直电流螺度(MEANJZH), 平均水平场梯度(MEANGBH), 平均扭曲指数(MEANALP), 总磁通量(USFLUX), 光球层平均自由能(MEANPOT), 平均剪切角(MEANSHR), 水平场与垂直场的平均夹角(MEANGAM)。对于活动区AR12673的例子见图2。

图2: 活动区12763的不同磁场参数与耀斑包络线之间的变化示意图。绿色曲线为耀斑包络线,黑色曲线为磁场参数变化曲线 (已归一化处理),CC代表两曲线的相关系数。

第二种方法(NGBoost)是一个基于机器学习的梯度增强算法,对所计算的对象返回一个概率分布函数以及不同参数在学习过程中的重要性分布(importance distribution)。研究人员使用NGBoost算法基于16个SHARP参数来对耀斑包络线进行计算,得到了较好的拟合结果。通过分析不同磁参数在算法中所占的重要性,研究人员得到了4个在NGBoost分析中最重要的参数,分别是:光球层总自由能(TOTPOT),光球层平均自由能(MEANPOT),总磁通量(USFLUX), 水平场与垂直场的平均夹角(MEANGAM)。

图3:活动区11283中所选取的8个参数在整个活动区以及PIL区域的变化与耀斑包络线之间的关系示意图。

结合相关性分析的结果,最终得到8个与耀斑爆发更加相关的参数,分别是光球层总自由能(TOTPOT), 光球层平均自由能(MEANPOT),总磁通量(USFLUX), 水平场与垂直场的平均夹角(MEANGAM), 平均垂直电流螺度(MEANJZH), 平均水平场梯度(MEANGBH), 平均扭曲指数(MEANALP), 平均剪切角(MEANSHR)。我们从这些参数在整个活动区的值以及在极性反转线(PIL)区域的变化趋势的不同,进一步分析这8个参数在物理意义上与连续耀斑爆发之间的关系(见图3)。可以看到,大部分的参数都在耀斑发生期间发生了更为剧烈的变化。例如,与自由能相关的两个参数(TOTPOT, MEANPOT)展现了耀斑爆发期间更为明显的自由能的储存与释放过程,该过程在PIL区域更加明显,这一结果同时也展现了PIL与耀斑发生之间的关联。类似的在PIL区域参数变化得更加明显的现象也体现在了水平场与垂直场的平均夹角(MEANGAM),平均水平场梯度(MEANGBH)以及平均剪切角(MEANSHR)上。除了相对变化以外,各个参数在不同区域的绝对值也很值得留意。例如,平均扭曲指数(MEANALP)表征磁场扭曲指数,在PIL区域的平均扭曲指数约为整个活动区的10倍,表示在耀斑连续爆发期间,PIL区域的磁场结构明显比整个活动区内的磁场结构更加复杂。

该工作发表于《The Astrophysical Journal》,第一作者为研究生冉豪,通讯作者为刘颍研究员,合作作者包括南京大学天文与空间科学学院郭洋副教授以及空间中心王瑞副研究员。研究结果对于理解连续耀斑发生的物理机制具有重要意义,其揭示的关键物理参数可用于连续耀斑的研究和预报工作。

Citation:

Hao Ran, Ying D. Liu*, Yang Guo, and Rui Wang, Relationship between Successive Flares in the Same Active Region and SHARP Parameters, 2022, The Astrophysical Journal, 937, 43

(https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac80fa)



 

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