太阳活动区影响冕洞高速流？丨Calling太空_风闻

编者按：****“浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索”，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。

冕洞在日面上通常能持续数十天至数月，并随着太阳的自转重现在正日面上，如图1中2016年3月24日至4月21日美国NASA的太阳动力学观测台（SDO）卫星对极紫外193Å波段的日冕观测动画所示，其中CH和AR分别代表冕洞和活动区。

图1 随太阳自转的冕洞动画（图片来自helioviewer.org）

通常我们认为行星际空间中的太阳风来自于太阳日冕的开放磁力线区域，其中，冕洞代表的开放磁力线区域能持续不断的喷发出大量等离子体团——冕洞高速流，是灾害性空间天气的主要驱动源。冕洞高速流传播到地球时，其携带的高速太阳风等离子体团和很强的行星际磁场，与地球磁层相互作用而引起地磁暴等事件，同时可引发电离层暴和中高层大气密度的快速上升。冕洞高速流所引起的地磁暴在太阳活动下降年和太阳活动低年的地磁活动中占主导地位。

冕洞随着太阳自转这一特征，可以用于预报重现性的冕洞高速流及其引发的地磁扰动。但是，冕洞并不是一成不变的，同一个冕洞在演化过程中，可能发生很大的改变，从而在日冕观测中呈现出不同的形态、亮度等，也因此，当同一个冕洞在日冕观测图像中的形态发生变化时，我们就认为这个冕洞发出的高速流扫过地球时的磁场和等离子体特性会发生变化。以两种情况下的经验预报为例：当冕洞的面积变大、变黑时，我们认为太阳风的速度会更高；当冕洞的经度跨度变大时，我们认为在地球处观测到的冕洞高速流的持续时间会更长。

那么，当一个冕洞在经历一个太阳自转周后，位于日面正中时的形态和亮度变化都不大时，可以认定地球对这两次冕洞高速流的观测相似吗？答案是不一定。

下面我们将简略介绍 Macneil等2019年发表在The Astrophysical Journal上的一篇文章中的有趣发现。

如图2所示，SDO卫星极紫外193Å波段对日冕的观测图像中，冕洞于2016年3月24日出现在日面正中，在经历了一个太阳自转周（约27天）后，于4月20日再次重现在日面正中；其中绿色的点代表扫过地球处的冕洞高速流的源，是通过一系列的模型进行追溯和反推得到的。Macneil等发现了这个冕洞在随太阳经过一个自转周后，在日冕观测图像中并没有呈现出明显的变化，唯一的不同是——冕洞的左侧出现了一个新的活动区，即在图2下图中用蓝色框标识的活动区AR12532。

图2 时隔一个太阳自转周对同一冕洞的观测（图片来自The Astrophysical Journal）

图3是时隔一个太阳自转周对地球附近的这两次太阳风观测以及来源分类，其中，CH、CHB和AR代表该时间段观测到的太阳风等离子体分别来自冕洞、冕洞边界和活动区，QS代表与前面三者相区分的平静太阳区域。如图3上图所示，第一次冕洞高速流的观测非常典型，扫过地球时持续了大约3天，但当Macneil等对比两次冕洞高速流的观测时，惊讶地发现冕洞高速流的持续时间发生了非常大的变化，第二次冕洞高速流的持续时间仅为1.2天。

 

图3 时隔一个太阳自转周对地球附近的两次太阳风观测以及来源分类（图片来自The Astrophysical Journal）

为什么会出现这种变化呢？他们的猜测是——新生活动区影响了冕洞高速流。

通过对等离子体元素丰度等物理量的测量，Macneil等发现第二次冕洞高速流期间、等离子体的来源发生了很大的改变——有一部分等离子体明显来源于活动区，而不是冕洞。

此时活动区并没有发生爆发活动，为什么会有活动区的等离子体进入行星际空间到达地球呢？活动区不是闭合磁力线区域吗？他们的猜测是——活动区的闭合磁力线和冕洞的开放磁力线发生了磁重联，从而让活动区的等离子体进入了背景太阳风，在行星际空间中传播。这一猜测也符合活动区跟周围开放磁力线结构磁重联的理论模型。

太阳大气本身是非常复杂的，不同空间尺度的磁场结构如何重联至今仍没有定论，太阳风等离子体在行星际空间传播时，也伴随着复杂的相互作用。预报空间环境不但需要空间物理知识的积累，也需要对观测数据的深入挖掘和研究，对国内外科学家成果的不断追踪，才能更好的理解、解释、预报复杂的空间环境。

来源：中国科学院国家空间科学中心