日冕物质抛射及其对地有效性研究获系列成果

2011-10-31 09:31 来源: 科学时报
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磁场重联对日冕物质抛射动力学影响的数值解

  日冕物质抛射(CME)是太阳大气中最猛烈的爆发现象之一,同时也是空间灾害性天气事件的最重要驱动源之一。

  在人类大力发展航天活动的趋势下,研究CME的触发、形成以及传播演化过程,对于深入理解日冕、行星际空间天气过程,预报CME的空间天气效应,准确掌握地球空间环境状况,提供空间环境保障均具有重大意义。 

  两万次强震 百万座火山

  “太阳系最剧烈的能量和物质释放过程主要是CME和太阳耀斑。一次CME携带的能量相当于同时发生2万个9级大地震,一个典型的耀斑单位时间内释放的能量相当于10万至100万次强火山爆发的总能量。”中国科学院空间科学与应用研究中心副主任王赤对本报记者说,“而且,这些都是太阳上最剧烈、最频繁的爆发活动。” 

  太阳耀斑是太阳大气(主要在色球和日冕)局部区域突然释放出巨大能量的效应,会导致电子、质子和重离子的加热和加速。耀斑发生时,强烈的辐射可以覆盖从γ射线、紫外线、可见光,到射电波整个电磁波谱。

  CME是太阳低日冕中的物质瞬时向外膨胀并喷射的现象。一个大的CME可含有10亿乃至百亿吨物质,这些物质被加速到每秒几百甚至上千公里。太阳活动最大年,太阳每天产生大约6 次CME,而活动最小时,大约每2天产生1次。快速CME向外的速度可达每秒2000公里以上,而正常的太阳风速度约每秒300~700公里。CME的等离子体物质传播到地球附近的行星际空间时就会扰动地球磁场,产生地磁暴和电离层暴等现象,造成空间天气的剧烈变化,对人们的生产生活产生影响,严重时会引起卫星失控,破坏通讯、电网以及导航,并威胁到宇航员的生命安全。

  “CME相关问题是当前空间物理和太阳物理领域的热门课题之一,尤其CME的对地有效性在空间天气学研究以及空间天气预报方面有着极其重要的价值。”王赤说,“目前研究主要集中在CME的起源、触发机制、传播和演化规律、对地球空间环境的影响、与其他太阳爆发现象的关系等方面。”

  太阳冲谁“发火”

  太阳“脾气火暴”,而且隔三岔五就要发作一次。不过很多时候它并没冲地球“发火”。这就给科学家提出一个重要问题——CME能否到达地球并对地球环境产生影响,即CME的对地有效性。

  “CME是灾害性空间天气事件的主要制造者或驱动源,但大量的观测研究表明,不是所有正对地球的抛射都能造成影响,也不是所有不正对地球的CME就一定没有影响。”中国科学技术大学教授汪毓明对本报记者说,“CME传播过程中会发生轨迹偏转,我们从对地有效CME分布的不对称分布出发进行研究,就是为了能更好地了解哪些CME能到达并影响地球,这对CME相关的空间天气预报有重要意义。”

  我国学者统计研究了从1997年3月到2000年年底的132个发生于太阳正面的CME,发现其中共有59个CME引起了地磁暴,比例将近一半。奇妙的是,这59个对地有效CME的太阳表面源区分布呈现明显的东西不对称性,西边的比东边的多出57%。

  “快速的CME从西边往东边偏,慢速的CME从东边往西边偏,而能造成明显地磁效应的CME多数是快速的,因此就造成了对地有效CME的日面源区位置分布的不对称,其中西边偏多。”汪毓明说。

  基于这一思想,我国学者建立了一个描述CME偏转的模型。该模型在2005年9月应用于一系列同源CME事件研究中,较好地解释了为什么这些源自同一个活动区的CME有些撞击到了地球,有些则没有。

  “目前基于该模型的CME对地有效预报模式仍在发展中。”汪毓明说。

  扭缠的磁绳

  日冕是太阳大气的最外层,里面充满了温度高、密度稀薄的等离子体(气体温度继续上升后变成的另外一种状态)。由于磁场在太阳内部不断产生,并浮现出来,因此,日冕的等离子体中充满了磁场,而且磁场越来越复杂。

  “就像拧毛巾一样,越来越复杂的磁场会自动弯曲,变成像绳子一样的扭缠结构。其中的磁能不断累积,当它达到某种亚稳态之后,这种复杂的结构就容易被触发而爆发出来。”南京大学天文与空间科学学院教授陈鹏飞对本报记者说,“因此,触发机制研究是CME研究很重要的一部分。目前提出的机制包括低层大气的磁重联、新浮磁流、日冕磁绳上方的磁重联、磁场剪切运动和磁通量注入,以及一些不稳定性。”其中新浮磁流触发机制就是陈鹏飞及合作者提出来的,目前单篇文章引用达140余次,被美国同行在综述文章中列为五大主流模型之一。2011年陈鹏飞也应邀为国际杂志撰写关于CME的综述文章。

  日冕磁绳是日冕磁场变得复杂的一种很典型的结构。当CME到达地球附近时,科学家也经常能探测到磁绳结构。

  “在早期,理论工作者较多认为CME源于磁绳的爆发。”陈鹏飞说,“磁绳结构容易被触发而抛射出来,而且它一旦被触发并开始上升运动,很容易在它下方形成一个电流片,而电流片的磁重联会加剧磁绳的抛射。但由于日冕的磁场尚无法直接测量,因此这种观点一直有争议。现在一般认为较多的CME确实对应磁绳的抛射,但也有部分CME开始没有磁绳结构。” 

  在CME触发的磁绳灾变机制研究方面,我国科学家自主构建了CME磁绳灾变数值模型,提出了一整套磁流体力学(MHD)灾变的数值模拟方法,并以此为基础围绕日冕磁绳灾变的触发机制和磁场能量的释放机理取得了系列成果,青年学者获有关国际奖项。 

  过去10年中,以我国学者为主,在日冕物质抛射的触发机制、传播演化过程以及对地有效性方面开展了系统的研究工作,取得了一批具有国际影响的成果和进展,获得了国际同行的好评。该领域数名年轻的学者获国家自然科学进步奖一等奖、科技部“973”先进个人奖、首届美国地球物理学会日地系统科学Basu-Early Career Award。

  其中关于日冕EIT波的传播机制模型被EIT望远镜首席科学家、英国伦敦大学学院的L. K. Harra教授领导的研究组发表3篇观测性论文支持。该模型及图片也被美国的Aschwanden写入教科书。对CME的不对称分布以及行星际空间中的偏转传播理论,也获得了广泛的引用。