日冕磁场衰变与太阳耀斑爆发

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Science：日冕磁场衰变与太阳耀斑爆发 （自媒体久久自媒体）

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太阳耀斑是发生在太阳大气（光球层、色球层、日冕）局部区域的一种快速猛烈的能量释放过程，它能够在几分钟到几十分钟内释放出1028～1032erg的能量，这些能量包罗辐射能、动能、热能和非热能等。耀斑首要发生在太阳的色球层和日冕，但有些大耀斑在我们肉眼可见的光球层也会发生辐射增加，被称之为白光耀斑，1859年9月1日英国天文学家理查德C.卡灵顿（RichardC.Carrington）第一次观测记录到的太阳耀斑，就是一个白光耀斑。太阳耀斑爆发时，从长波的无线电波到短波的X射线、伽玛射线，几乎整个电磁波谱的辐射都有增加，这对地球电离层发生了很大影响，稀奇是极紫外到X射线；此外，还会发生103～109eV的高能粒子辐射，这会对航天器等造成伤害。是以，太阳耀斑的相关研究一向是学界研究的核心。

太阳耀斑能量的存储和释放过程是主要问题。尺度太阳耀斑模型假设磁能是在日冕磁场中经由磁重联释放出来的，但日冕磁场无法直接测量，只能经由间接方式。传统方式是对观测的光球层磁场进行外推，该方式固然能够获得量化的究竟，但它的瑕玷也很显着，如外推法无法在充沛短的时间标准上对局部磁场的动态转变进行量化。

为解决这一难题，Fleishmanetal.（2020）采用微波谱拟合手艺，该手艺在平均源假设的根蒂上，用一个考虑非热电子的盘旋同步辐射和热等离子体的自由-自由辐射的物理激发模型，对耀斑时代观测到的微波谱进行拟合，由此获得日冕磁场的强度转变。基于该手艺，研究人员获得了耀斑区域高时空差别率的磁场强度及局部日冕磁场的量化动态演化特征，发现耀斑过程中由磁能衰减而转化的能量足以促使耀斑爆发，并首次正确地确定了耀斑能量释放的位置和速度，研究功效揭橥于Science。

作者研究的是2017年9月10日爆发的X8级强耀斑，该耀斑爆发于太阳西边缘的一个运动区（日面西经91度、南纬9度）。图1A显露该耀斑形态施展了尺度耀斑模型的首要成分，包罗一个显着的电流片和一个向上活动的嵌套磁环的尖状构造。基于扩展欧文斯谷太阳阵列（EOVSA）在3.4～15.9GHz的26个微波波段（图1B中彩..域）的高时空差别率观测数据，经由微波谱拟合手艺获得耀斑区域磁场强度随时间的演化。

图12017年9月10日X8级耀斑的多波段观测。A.EUV(193埃)波段的耀斑区域反色（颜色越暗辐射越强）图像。红色和蓝色等值线离别标示了硬X射线辐射的热成分和非热成分，绿线标示了耀斑的首要区域；B.配景图像与A图一般，彩色标示了EOVSA在3.4～15.9GHz内26个微波波段的究竟

图2展示了分歧时刻耀斑区域的二维日冕磁场图。能够看到，极尖区（图2白色方块）的磁场强度在1分钟内从约600高斯下降到约200高斯（图3A黑色圆圈），磁场衰减率约为6.6Gs/s。远离极尖区（图2红色方块）的磁场强度在2分钟内从约900Gs下降到约250Gs（图3A红色圆圈），其衰减率约为5.4Gs/s。微波辐射在由磁场衰减引起的能量释放过程根基竣事的时候达到峰值，这与由捕捉电子引起的微波辐射理论展望根基一致。以上所得的磁场衰减率对应的电场约为20V/cm，弘远于Dreicer电场（～10-4V/cm），这就解说几乎所有电子都能被有效加快。极尖区磁场衰减对应的电场在磁场偏向上的分量（即平行电场）能够有效加快粒子发生微波辐射，并驱动观测到的加热增加。

图22017年9月10日耀斑区域日冕磁场演化图。白色和红色填充的正方形标示了用来研究磁场强度演化的位置，白色方框标示用来较量磁能密度的区域

图3磁场强度和磁能密度的演化。（A）在图2中两个位置的磁场强度演化。（B）平均磁能密度（黑圆圈）和非热电子的平均能量密度（蓝色三角形）。灰色暗影透露热能密度局限。Y轴右坐标是采用的标称耀斑体积为1028cm3时对应的能量

为了定量剖析耀斑过程中的磁能损失，并权衡损失的磁能是否足以供应耀斑的所有能量，研究者估算了磁能密度、非热能量密度、热能量密度和动能密度随时间的演化。磁能密度和非热能量密度都从微波谱拟合获得。基于微波谱拟合和极紫外观测数据，能够估算热能密度和动能密度。热能密度根基与非热能量密度的下界限重合。动能密度比热能密度低两个数量级。经由磁能密度与其他形式能量密度的对比，发现极尖区的磁能释放足认为耀斑爆发供应能量。这也确定了耀斑的能量转化发生在极尖区而非传统概念的电流片内部。

该研究加深了我们对耀斑能量转换过程的熟悉和懂得，它首次定量化剖析了耀斑区域磁场的衰减率约为5Gs/s，确定了耀斑能量释放切实切位置是极尖区（cuspregion）而非传统概念认为的电流片内部，发现磁能的衰减足以供应太阳耀斑的各类能量，包罗相关的爆发、粒子加快和等离子体加热。

2018年8月12日，美国宇航局（NASA）发射了帕克太阳探测器（ParkerSolarProbe），分歧于汗青上的任何航天器，它将直接飞入太阳外层大气层日冕地点轨道上，距离太阳外观比来仅650万公里，，这将是人类探测器首次如斯近距离直接探测太阳大气。2020年2月9日，欧洲宇航局（ESA）和NASA结合研制的“太阳轨道探测器（SolarOrbiter）”在美国成功发射升空。太阳轨道探测器将行使金星的引力跟着时间的推移升高其轨道，并在越来越高的纬度上观测太阳极区，这是人类首个能够观测太阳极区的探测器，它为我们研究太阳及其发出并吹向太空的太阳风供应全新视角。帕克太阳探测器和太阳轨道探测器这两个空前未有的太阳探测器将对太阳耀斑相关过程进行分歧视角的高精度结合观测，为研究太阳耀斑相关问题供应极佳的契机。

首要参考文献

FleishmanGD,GaryDE,ChenB,etal.Decayofthecoronalmagneticfieldcanreleasesufficientenergytopowerasolarflare[J].Science,2020,367(6475):278-280.

（撰稿：乐会军，闫丽梅/地星室）

美编：徐浪潮

校对：李玉钤