日冕物质抛射是太阳上的一种剧烈爆发现象，可能会对人类诸多高科技活动产生严重影响。研究日冕物质抛射的爆发过程对预报日冕物质抛射、保障人类的生产生活安全有着重要的意义。一直以来，人们不清楚日冕物质抛射的主体磁绳在爆发过程中是如何演化的。本工作通过研究日冕物质抛射磁绳在太阳表面的足迹及其变化，定量给出了日冕物质抛射磁绳轴向通量的演化特征，这一结果进一步加深了我们对日冕物质抛射爆发过程的理解。

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在电影「流浪地球」的片头，伴随着对太阳急速老化情况的介绍，巨大的太阳出现在荧幕上。在太阳表面，大量明亮的物质正腾空而起，冲向太空……

实际上，太阳急速老化仅仅是科幻作品中的设想。在现实中，太阳正值壮年，还有约50亿年的寿命。因此在很长的一段时间内，人类完全无需担心影片中的灾难会真实发生。

图1: SDO卫星拍摄到的「流浪地球」同款日冕物质抛射 图源：ESA JHelioviewer

  那么面对现实中的太阳，我们就可以高枕无忧了吗？

  答案是否定的。

在太阳上，各种各样的剧烈活动一直都在频繁发生。影片中展现的物质被抛离日面的现象就是其中的一种。对于这一类事件，太阳物理学家给它们起了一个形象的名字——日冕物质抛射，意指日冕（太阳表面以外的大气层）中的物质被抛射出来的现象。它们是太阳系中最剧烈的爆发活动，仅一次爆发就会有数十亿吨的携带磁场的物质被抛向行星际空间。若论大小，在它们面前，地球也相形见绌。

在这样巨大的爆发面前，人类世界显得渺小而又脆弱。当日冕物质抛射传播至地球附近时，有可能会影响宇宙航行的安全、扰乱通讯，并破坏输油管道、电网等重要设施，严重干扰人类的生产和生活。例如，1989年3月13日，在日冕物质抛射的影响下，加拿大魁北克省就发生了电网瘫痪的事故，数百万人在电力中断的状态下度过了一个寒冷的冬夜(1)。而在更早的1859年，在一次更猛烈的日冕物质抛射作用下，很多电报系统发生了火灾 (2)。可以想象的是，同样的事件若是发生在高度电气化信息化的现在，其对人类社会造成的破坏程度将是灾难性的。

因此，研究太阳的剧烈爆发活动，尤其是日冕物质抛射这一现象，对于人类有着十分重要的意义。

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那么，我们应该如何研究日冕物质抛射呢？

考虑到日冕物质抛射裹挟的是携带磁场的物质，我们不妨换一个视角，从磁场的角度来重新审视它。如图2展示的那样，日冕物质抛射磁场结构的主体部分是一个绳子状的结构，其两端像两个足一样扎根在太阳表面，磁场沿着这根绳子缠绕。我们形象地将这种结构称为磁绳。

图2: 日冕物质抛射磁绳及其足点演化的示意图

在垂直于磁绳轴的方向切开磁绳，做一个"切片"，穿过这个切片的磁场通量被称之为磁绳的轴向通量。为了更形象地理解磁绳轴向通量，我们不妨把磁绳类比为水管中的水流，那么磁绳的轴向通量就对等于水管中水的流量。水的流量反映的是水量的大小，而磁绳的轴向通量反映的是磁绳这根"磁流管"的整体磁场通量大小。实际上，它是研究日冕物质抛射演化的一个非常关键的物理量。近年一些研究表明，磁绳轴向通量的变化和日冕物质抛射的演化有着非常紧密的联系。通过研究轴向通量的演化特征，我们有机会理解日冕物质抛射（磁绳）的形成和演化过程。

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要想研究日冕物质抛射磁绳的轴向通量，我们首先要能测量到它，然而这并不容易。

首先是对磁场强度的测量。至今为止，对太阳日冕中磁场的测量仍然是一件十分困难的事情。人们能够相对更准确测量的是距离太阳中心更近的光球层（太阳表面）的磁场。因此，我们优先考虑基于光球磁场，在磁绳足部计算轴向通量。

有了磁场，我们还需要确定磁绳足部截面（以下称为磁绳足点区域）的范围。在过往研究中，科学家主要有两种方式来确定这一区域的范围：

第一种方法聚焦于爆发源区在极紫外波段的日冕辐射变暗现象。在日冕物质抛射过程中，磁绳的拉伸和膨胀会导致日冕中的等离子体变得稀薄，从而会产生辐射变暗现象。在一片变暗区域中，我们往往还能观测到一对尤其明显的辐射变暗区域，它们被称为"双子暗区"。可以想象的是，磁绳抛射引起的等离子体稀薄现象在磁绳的足部会尤其明显，因而双子暗区很可能对应着磁绳的两个足点区域。

第二种方法锁定于爆发过程中在太阳低层大气中常见的明亮带状结构。日冕物质抛射事件常伴随有太阳大气中的局部区域突然变亮的现象，这种现象还伴有各种波段的增强的电磁辐射和粒子发射，人们称其为耀斑。在低层大气，耀斑常表现为一对"J"字型的明亮带状结构，它们被称为耀斑带。耀斑带的演化和日冕物质抛射磁绳的演化息息相关，其两端钩状部分的前沿被认为和磁绳足点的边界重合。因此，人们通常认为"J"型耀斑带钩状部分包围的区域就对应了磁绳足点区域。

然而，人们在将这两种方法应用于观测事件时往往会遇到一些麻烦。对于第一种方法，双子暗区通常无法表现出一个明确的边界，人们对于其边界的判定大多基于一些对变暗程度人为设定的阈值。而对第二种方法来说，很多耀斑事件的"J"型耀斑带的钩状部分是不封闭的，因而在钩状部分开口方向上就很难确定磁绳足点区域的边界。因此，一种更加准确的识别磁绳足点区域的方法亟待提出。

对于这一问题，我们于近期提出了一种新的磁绳足点区域识别方法。这一识别方法同时考虑J形耀斑带的钩状部分和日冕暗区，合理确定了对应于磁绳足点区域的日冕暗区的范围，而且在耀斑带钩状部分封闭或半封闭的情况下均可使用。使用这一方法，我们可以更加准确地确定磁绳足点区域。（文章链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(20)30062-X）

 

图3: 识别磁绳足点区域方法的示意图。图A-图D展示了识别过程中使用的参考线；图E与图F展示了磁绳足点边界的识别结果。

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凭借新的方法，我们得到了磁绳轴向通量详细的演化过程，并发现了一些十分有趣的结果：

对四个日冕物质抛射事件的研究均表明其磁绳轴向通量在爆发过程中仿佛坐上了"过山车"：它们首先快速地增加，然后逐渐减少（图4）。

我们还比较了轴向通量演化与其对应耀斑的软X射线流量的演化。后者常用于表征耀斑的辐射过程，一般分为缓慢增强、快速增加和持续减少三个阶段（分别对应耀斑的前相、脉冲相和缓变相三个阶段）。结果表明，这两种演化基本同步但又略有差异（图4）。

一方面，磁绳轴向通量和软X射线流量都表现出了先增加后减少的趋势；而磁绳轴向通量的增加更是主要发生在软X射线流量增加阶段（事件1、2和4非常明显地表现出这一特征，事件3很可能也具有相似的特征），这表明磁绳轴向通量的增加与耀斑主要能量释放过程（脉冲相）直接相关。另一方面，四个事件的轴向通量的峰值时刻却又相对软X射线流量的峰值时刻均有10-20分钟左右的延迟。这些结果提供了详细的磁绳轴向通量演化特征，为日冕物质抛射三维爆发模型的构建和完善提供了观测基础。

图4: 图A-图D分别展示了事件1、2、3和4对应磁绳的轴向通量演化（蓝色散点）与对应耀斑的GOES软X射线流量演化（红色实线），蓝色和橙色竖虚线分别标示了软X射线流量和轴向通量的峰值时刻。

我们揭示的上述轴向通量变化规律可以用法国著名太阳物理学家G. Aulanier和J. Dudík近期提出的一个日冕物质抛射磁流体力学模型来解释。在他们的模拟中，日冕物质抛射磁绳的演化涉及三种磁重联过程（磁重联：一种引发磁场拓扑结构改变的过程）：背景场之间的重联，背景场与磁绳的重联，以及磁绳内部的重联。这三种重联过程分别可导致磁绳轴向通量的增加，守恒和减少。我们发现的磁绳轴向通量的增加和减少，有可能分别对应了背景场之间的重联过程和磁绳内部的重联过程。这一结果暗示了这些过程可能真实地发生在日冕物质抛射过程中，这对理解日冕物质抛射的爆发过程及其与磁重联的关系有着非常重要的科学意义。

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第一卷第三期发表的Report文章"The Evolution of the Toroidal Flux of CME Flux Ropes During Eruption"

文章链接：

https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(20)30062-X

https://doi.org/10.1016/j.xinn.2020.100059)

本文的第一作者为南京大学天文与空间科学学院的博士生邢晨，通讯作者为学院的程鑫副教授，“长江学者”丁明德教授作为作者之一提供了重要指导。

本研究受到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和南京大学中央高校经费的共同资助。

引文：

（1）https://pwg.gsfc.nasa.gov/istp/nicky/cme-chase.html

（2）https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2003/23oct_superstorm/4