空间中心科研人员揭示2024年5月超强地磁效应太阳风暴源区及行星际演化特征

2024年5月活动区13664/13668，接连产生X级耀斑并伴随连续的日冕物质抛射（CMEs），地磁响应指数达到G5级，Kp指数达到了9，Dst指数更是下降到-412 nT。这样强的地磁响应事件最近的一次还要追溯到20多年前著名的“万圣节”事件，Dst下降到-422 nT。纵观历史上几次著名的大磁暴事件，比如在进入航天时代之前1859年的卡林顿事件，Dst指数达到惊人的-850 nT。再如1989年，进入航天时代后最严重的一次空间天气事件，即加拿大的“魁北克”事件，Dst指数下降到-589 nT。此类极端空间天气事件通常被认为与多个CMEs的相互作用有关，通过前导CME为后遂CME扫清障碍，通过CME间的相互作用增强其对地效应，并最终以一种“完美风暴”的形式形成极端空间天气事件。

中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室王瑞副研究员团队在第一时间对此次事件进行了深入的研究。研究从风暴的源头，即太阳活动区，到行星际空间展开了全链条分析。2024年5月10日Dst指数产生了快速下降（如图1所示），11日达到最大强度，之后经历一个漫长的过程直到13日才恢复正常水平。就地数据显示，Dst的快速下降和缓慢恢复可以归结为两个复杂抛射物的影响，如图阴影区域所示。抛射物1展示出较强的南向磁场分量，而抛射物2的南向分量并不明显，这便解释了为何Dst指数没有在11日继续下降的原因。

图1 Wind卫星的太阳风就地观测数据及Dst指数变化。

为了试图找到形成两组截然不同复杂抛射物的成因，我们分析了CME爆发源区的磁场配置情况。研究发现爆发源区经历了活动区的快速形成和兼并过程，伴随有磁场的快速浮现。结果显示11日晚些时候，活动区的无符号磁场通量达到约1.5x10²³ Mx，而7日到9日三天的六小时平均磁通浮现率达到惊人的约10²¹ Mx/h，最大的磁通浮现率发生在8日的约1.6x10²¹ Mx/h。这一磁场浮现率可以说是历史级别的，对比历史典型事件，它超过了耀斑最密集发生的活动区12673以及拥有最大黑子群的活动区12192。然而历史级别的磁流浮现水平并不是导致历史级地磁响应事件的唯一因素。

研究发现，该活动区也经历着“碰撞剪切”过程，该过程被认为是产生同源CMEs的典型模式。所谓碰撞剪切过程是指太阳光球两对非偶极磁场间在磁场浮现过程中产生汇聚剪切形成强梯度中性线的过程。根据这一模式我们对比发现7次对地的连续爆发主要源自两条碰撞中性线（如图2中两个红色箭头所示）。源自这两条中性线的CMEs恰好在行星际空间通过CME间相互作用形成了上面提到的两组复杂抛射物。分析发现，下方中性线磁场的环向分量和轴向分量均展示出较强的磁场南向分量，而上方中性线磁场则展示出明显的北向分量。这便解释了Dst指数没有继续下降的原因。

图2 2024年5月太阳风暴所涉及的7次主要的耀斑爆发事件和爆发源区磁场的配置。

图3  左上图为活动区的磁场通量累积曲线（绿色）和磁通浮现率曲线（红色），爆发源区的极紫外图像和7次爆发CMEs的速度、方向分布图（右侧）。

研究显示形成两组复杂抛射物的另外一个重要因素是第五次爆发的CME速度较慢（如图3所示），不能追赶上前次爆发而导致无法满足形成CME间相互作用的必要条件。究其原因，磁通浮现率的快速下降是造成爆发强度下降的直接原因。

此外，科研人员用每个爆发源区垂直磁场的水平梯度变化与爆发发生时间的相关性验证了碰撞剪切机制对于爆发形成的必要性（如图4）。因此，碰撞中性线处磁场梯度的变化对于预测同源CME的产生发挥重要作用。其可以作为未来空间天气预报的重要先兆因子。同时，科研团队还利用STEREO-A卫星估算了当地的Dst指数，可以达到近-500 nT的Dst响应。因此科研人员认为太阳风暴在经度方向上中尺度（mesoscale）的偏差（如图3所示），将导致巨大的对地效应差异。以上工作发表在国际期刊The Astrophysical Journal Letters和Astronomy & Astrophysics上。

图4  碰撞中性线附近强梯度积分曲线（绿色）与爆发（红色）的关系。

Citation:

Wang, R., Liu, Y. D., Zhao, X., & Hu, H. Unveiling key factors in solar eruptions leading to the solar superstorm in 2024 May. 2024, Astronomy & Astrophysics, 692, A112.

Liu, Y. D., Hu, H., Zhao, X., Chen, C., & Wang, R. A Pileup of Coronal Mass Ejections Produced the Largest Geomagnetic Storm in Two Decades. 2024, The Astrophysical Journal Letters, 974(1), L8.

（供稿：天气室）