太阳风暴（CME）是从太阳抛向行星际空间的大尺度磁化等离子体，具有很强的空间气候效应。快速CME及其激波到达地球附近时，可能引发猛烈的地磁暴。因此，理解快速CME及其激波的三维布局、在日冕和行星际空间中的传播和演化过程对空间气候来说尤为紧张。
2020年11月29日发作了一个大的快CME事件，发作陪同着M4.4级的耀斑，造成了第25太阳运动周第一个II型射电暴和第一个广泛分布的太阳高能粒子事件，这也是Parker Solar Probe（PSP）卫星发射以来观测到的第一个大的发作事件。地球和卫星的位置图表明，包罗PSP、STEREO A、SDO和Wind卫星（地球附近）等在内的多颗卫星，可以对此发作事件进行多角度的遥感成像观测和多点的太阳风当场测量（图1）。多颗卫星的团结观测将有利于对此CME的传播、膨胀以及对日球层的影响进行分析。
中国科学院国家空间科学中心太阳运动与空间气候重点实验室研究员刘颍课题组结合多视角与多波段的遥感成像观测以及多点的当场测量数据，对此快速CME进行了包罗从太阳源头、行星际传播，到多点撞击的一体化研究。
研究发现，发作源区位于环形闭合磁拱的下方，并被相同极性的磁力线所困绕。发作初期CME磁流绳有较大的倾斜角度，并发生了快速的膨胀和加速，陪同着显着的日冕变暗和EUV波（图2）。基于日冕仪图像的GCS拟合效果表明，CME磁流绳在太阳附近时有较大的倾斜角度和角宽度，与极紫外观测效果符合合（图3）。CME驱动的激波呈现出椭球型的布局，而且从SOHO和STEREO A视角来看激波困绕住了整个太阳（图3），这有助于表明位于发作背面的Solar Orbiter观测到的太阳高能粒子事件。CME和激波在发作之后的1小时内快速加速到最大速率2200 km/s，显现出典型的快速事件速率表面。激波膨胀的速率宏大于激波中心的平移速率，表明激波的布局和对日球层的潜伏影响主要是由其径向和侧面膨胀决定的。
WSA-ENLIL模仿效果表明，CME到达了PSP和 STEREO A，而且拥有较大的角宽度（图4第1行）。CME的后侧面很可能以相对较低的速率和密度擦过地球。
从PSP当场测量数据可以看出，激波于11月30日18:35 UT到达PSP，后面跟随着鞘区和ICME布局（图5左）。PSP观测到的磁场BN分量主要为北向，分析CME磁流绳可能有较大的倾斜角，这与遥感成像观测得到的效果符合合。模仿效果（赤色虚线）猜测的激波到达时间和PSP当场观测到的激波到达时间划一。由于PSP在这段时间没有等离子体数据，研究人员使用模仿的效果来估算激波到达PSP时的速率，大约为850 km s-1。
STEREO A当场测量数据表明，激波到达STEREO A的时间为12月1日07:20 UT左右，激波的速率大约为700 km s-1（图5中）。模仿猜测的到达时间比观测值早5小时左右，猜测的激波速率（850 km s-1）比观测值略高。在模仿效果平移之后，模仿得到的速率和密度表面与当场测量数据很相似。STEREO A观测到的磁场强度表现出渐渐降低的表面，这和PSP的观测效果很相似。
地球位于偏离CME传播方向90多度的位置（图1），仅仅根据发作源区的位置以及CME和激波的传播方向来判断，CME/激波可能不会到达地球。Wind卫星（地球附近）的当场测量数据看起来不像是一个典型的ICME，研究人员根据质子温度与磁场强度的表面给出了一个ICME的可能区间（图5右）。通过与WSA-ENLIL模仿效果的比较，研究发现固然模子高估了密度值，但是密度的表面与当场观测数据符合合，而且猜测的CME到达时间与当场观测数据划一。这分析，由于CME在经度上的大规模膨胀，CME的远侧面（CME的腿）确实到达了地球，但是没有显着的激波特性。由于一样平常认为激波的尺度要大于CME，这分析侧向激波在到达1 AU之前发生了衰减，这与研究人员此前研究效果划一。
该工作表明，结合多角度、多波段成像观测，以及多点太阳风当场测量，可给出太阳风暴从太阳源头到行星际传播，以及到对日球层影响的一体化物理图像，对进步空间气候预报能力具有紧张意义。相干结果发表于The Astrophysical Journal。
图1 2020年11月29日卫星与行星在黄道面上的位置图2 发作源区磁场构型及差别视角的极紫外观测图像图3 CME和激波在太阳附近的拟合效果图4 WSA–ENLIL 模仿在黄道面上的密度与速率分布图5 太阳风当场测量。左：PSP；中：STEREO A；右：Wind。模仿数据为赤色虚线
来源：中国科学院国家空间科学中心 |
