近期，中国科学院紫金山天文台太阳活动的多波段观测研究团组通过分析多颗太阳及空间探测器的遥感及实地测量数据，成功确认了2023年3月23日至24日意外发生的大地磁暴的太阳源头：一个低密度跨赤道磁绳的隐蔽爆发。这一爆发没有产生耀斑，只有微弱的极紫外辐射，我们将之命名为“弱光磁爆发”。这一发现展示了低密度跨赤道磁绳可通过此类特殊的爆发产生大的地磁暴，对提升地磁暴的预报能力至关重要，研究成果以“Unexpected Major Geomagnetic Storm Caused by Faint Eruption of a Solar Trans-Equatorial Flux Rope”为题于2024年10月24日发表在《自然•通讯》（Nature Communications）杂志上。当太阳风中的能量迅速注入地球周围的空间时，地球磁层中会发生大规模的磁场扰动现象，这就是地磁暴。地磁暴不仅可以让人们在更低的纬度上、更大的范围内欣赏到绚丽多彩的极光，还会对长距离输电网络和输油管道的稳定运行、卫星导航系统的精确定位、以及近地卫星的轨道维持造成威胁。因此，地磁暴的准确预报，对于一个日益依赖电力和信息的社会就显得至关重要。然而，许多地磁暴的太阳源头并不明确，这对它们的预报提出了挑战。这类具有模糊太阳源头的地磁暴，被人们称为“问题地磁暴”。寻找问题地磁暴的太阳源头，确定其在太阳上爆发时的磁场结构及典型观测特征，并为今后的预报提供线索，因而成为了太阳物理和空间天气研究中的重要课题。2023年3月23-24日，地球发生了自2017年9月以来最强的地磁暴。然而，由于其模糊的太阳源头，该地磁暴并没有被遥感观测预测到，因此是“问题地磁暴”的一个绝佳的例子。抓住这次机会，研究人员分析了SDO、STEREO-A、SOHO、Solar Orbiter、Hinode、“羲和号”等卫星或探测器的遥感或实地探测数据，最终将产生地磁暴的日冕物质抛射（CME）的源区确定为太阳上一个低密度跨赤道磁绳的爆发。

图1：地磁暴发生期间的行星际太阳风参数与地磁指数。

  在3月19日16:00左右，研究人员注意到日面中心附近区域存在一个跨赤道的极紫外通道，显示为极紫外辐射较弱的大尺度纵向长条形区域。随后，其东西两侧出现微弱的跨赤道双带增亮，在SDO/AIA 171 埃和 STEREO-A/EUVI 284 埃等中温极紫外波段最为明显。伴随着增亮出现的，还有微弱的日冕暗化。后续的磁场重构显示，该极紫外通道对应一个跨赤道磁绳，由于其内部没有成形的暗条，因而磁绳内缺少高密度区域，是一个低密度磁绳。磁绳周围的增亮与暗化特征对应着磁绳爆发的过程，这一爆发缺少暗条抛射，且爆发本身十分缓慢，因而极其隐蔽，难以被预报人员注意到。

图2：极紫外通道（跨赤道磁绳）及其爆发过程在多个波段内的低日冕特征。

爆发后的磁绳很快出现在了日冕仪的视野中，在SOHO/LASCO-C2和STEREO-A/COR2等仪器的观测中表现为一个长条形的、暗淡的、前沿断断续续的全晕CME。太阳正面的全晕CME往往昭示着太阳打出的等离子体“喷嚏”正朝向地球袭来，因此是地磁暴的重要预警信号。然而，因为其特殊的形状、断续暗淡的前沿，这一全晕CME并没能被识别为一个整体——其前沿的不同部分被识别为了独立的，不同朝向的窄CME。这就错过了在遥感图像中预报本次地磁暴的机会。在本研究中，通过将SOHO和STEREO-A两个视角观测到的CME利用渐变圆柱壳（GCS）模型进行拟合，研究人员确认了该CME实际上正直奔地球而来。

图3：被忽视的全晕CME在SOHO、STEREO-A两个视角下的初始传播过程。

  研究人员进一步追踪了该CME的行星际传播过程。在跨赤道磁绳爆发后，其南侧有一个S形暗条发生了部分爆发，产生了一个朝向黄道面南侧的CME。STEREO-A探测器上的日球层成像仪（HI1&2）观测到了全晕CME和暗条爆发导致的CME向地球传播的过程。暗条爆发对应的CME在传播过程中偏向黄道面南侧，因此并不被认为可以造成较强的地磁响应。对于跨赤道磁绳爆发导致的全晕CME，Solar Orbiter在距离太阳约0.5倍日地距离处实地探测到了该行星际CME所携带的磁场，显示了一个与黄道面近乎垂直的磁绳结构，与地球附近探测到的行星际CME十分相似，而后者的南向磁场正是导致地磁暴的直接原因。由此，研究人员将这一由跨赤道磁绳隐蔽爆发导致的暗弱CME证认为本次“问题地磁暴”的源头。

图4：全晕CME（绿色虚线表示其前沿，蓝色箭头指示其前方的磁场与等离子体堆积）与暗条爆发导致的CME（白色箭头指示）的行星际传播过程，以及Solar Orbiter实地探测到的全晕CME的磁场。

  最后，研究人员利用磁绳插入法进行日冕磁场重构，得到了源区磁绳的磁场结构。据此，研究人员预测了磁绳传播到地球附近时的行星际磁场，并根据其南向分量，通过Burton方程预测了地磁暴的强度。计算结果显示，该磁场模型较好地还原了地磁暴发生时的近地行星际磁场，并重现了地磁指数下降的过程。这更加印证了地磁暴源区证认的正确性和源区磁场重构的可靠性。

图5：源区磁场重构结果及其分析、对近地行星际磁场以及地磁指数的预测、对此类爆发观测特征的总结。

通过分析磁场重构与PFSS磁场外推的结果，研究人员指出，跨赤道磁绳爆发后，拉伸了其上方的上覆场，同样位于上覆场下方的南侧S形暗条可能是因为上覆场减弱而发生爆发。跨赤道磁绳所携带的南向轴向磁场，是造成地磁暴的主要原因。另外，研究人员根据跨赤道极紫外通道的长期演化与Solar Orbiter/EUI仪器在日面边缘的观测，推测该跨赤道磁绳的形成可能与南半球的冕洞和北半球的活动区之间的磁场相互作用有关。根据这一事件，研究人员推测了类似爆发事件的观测特征，这将有助于提升未来对“问题地磁暴”的预报能力。

  本研究利用多视角多波段观测，辅助以日冕磁场重构，确认了一个强“问题地磁暴”的源区为一低密度跨赤道磁绳，并还原了其爆发及日地传播的过程。研究强调了低密度跨赤道磁绳可通过缓慢、隐蔽的爆发产生很强的“问题地磁暴”。研究人员将这种携带大量磁场的低密度结构的缓慢爆发称为“弱光磁爆发”，因为它们在极紫外等电磁波段中的爆发特征往往十分微弱，以致被人们忽视，然而其携带的磁场却足以导致很强的地磁暴。本次地磁暴发生在中国传统节日“龙抬头”期间，鉴于其在太阳物理和空间天气学研究中的意义，研究人员将其命名为“龙抬头事件”。龙抬头事件的观测特征，为今后的空间天气预报提供了关键的参考信息。

  紫金山天文台博士研究生滕伟霖为论文第一作者，紫金山天文台研究员宿英娜、紫金山天文台研究员季海生为论文通讯作者，紫金山天文台副研究员张擎旻为共同作者。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、以及澳门基金会等项目的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-53538-1