科研动态 | 空间中心科研人员利用夸父一号日冕仪关键观测揭示2024年10月特大地磁暴成因

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2024年10月发生特大地磁暴事件，Dst指数最低降至-333 nT，为第25太阳活动周第二强地磁暴。中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气全国重点实验室王瑞副研究员等利用我国"夸父一号"卫星搭载的莱曼阿尔法日冕仪（SCIWL）获取的关键观测数据，结合多源遥感与原位探测资料，揭示了此次磁暴由暗条-活动区日冕物质抛射（CME）感应爆发及相互作用共同驱动的物理机制。

2024年10月9日01:56 UT，活动区AR 13848爆发X1.8级耀斑，随后引发强烈地磁扰动及第25太阳活动周最强质子事件，峰值通量达1150 pfu（http://www.sepc.ac.cn/）。然而，基于大角度光谱日冕仪（LASCO）与前导空间观测台（STEREO-A）的传统自动识别程序将此次爆发定性为单一全晕状CME，这与原位探测数据所显示的CME相互作用特征并不一致。厘清源区CME的真实结构因此成为解析此次磁暴成因的关键。

图1. 多日冕仪联合观测与GCS模型拟合。（a）、（b）夸父一号SCIWL观测到的双CME先后浮现过程；（c）SCIWL与LASCO观测叠加对比图（红色：跨活动区-宁静区暗条；蓝色：活动区CME）；（h）、（i）基于球形激波模型的拟合结果。

传统日冕仪LASCO视场无法覆盖爆发早期阶段，STEREO-A则因视角受限，致使双CME结构难以分辨。我国夸父一号SCIWL日冕仪视场覆盖1.1至2.5个太阳半径，恰好弥补了极紫外成像与常规白光日冕仪之间的观测间隙。分析表明：两个独立CME前沿结构先后进入SCIWL视场，且分别对应于LASCO中"蝴蝶形"CME的左右两翼（图1），为双CME结构提供了直接成像证据。结合太阳轨道飞行器（Solar Orbiter）的全日成像仪（FSI）观测，研究团队进一步确认耀斑爆发前一条跨活动区大尺度暗条已发生重联并缓慢抬升，与活动区冕环扩张在空间上相互独立，表明两者分属不同爆发单元。

研究团队采用GCS模型对两个CME分别拟合，结果显示二者在COR2视场中近乎交叠。鉴于CME早期的相互作用会显著改变其宏观形态，团队采用球形激波拟合法对两者的共同激波面进行了反演，估算出激波的线性传播速度约为1730 km/s。

原位测量方面，Wind与STEREO-A的日地连线夹角为多点比对提供了条件。两处均记录到前方CME磁场的显著增强（Wind处50 nT，STEREO-A处60 nT），符合相互作用区磁场压缩特征（图2）。Wind测得较强南向分量，与Dst快速下降直接相关；STEREO-A虽磁场更强但因缺乏南向分量，预估Dst仅约-100 nT。这一差异表明，中等夹角偏离即可导致地磁效应评估的明显不确定性。

图2. 左：Wind原位测量结果；右：STEREO-A原位测量结果。黄、蓝色阴影分别标示两个CME本体区间，蓝色虚线为激波前沿。

后方CME在两个测点的手性与磁轴指向与源区活动区CME一致，前方CME磁轴则与暗条存在较大偏差，可能与暗条在行星际空间的kink不稳定性或后方CME挤压作用有关。CORHEL-CME模拟进一步印证了相互作用后磁场连通性的复杂化（图3）。

图3. CORHEL-CME模拟结果。左：爆发初期跨活动区暗条与活动区磁绳的磁场拓扑位型。右：双CME爆发后形成的复杂磁场位形及连通性特征。

本项研究综合利用夸父一号SCIWL日冕仪的关键内日冕观测、多视角遥感数据及多点就地测量，厘清了2024年10月特大地磁暴的双CME源区结构及其行星际相互作用过程。研究表明，忽视爆发源区的细节可能导致对CME活动复杂性的低估，而多点就地测量对于确认暗条爆发及揭示相互作用区磁场增强效应具有不可替代的验证价值。上述认识为提升极端空间天气事件的预报能力提供了新的观测约束与理论参考。

相关成果已发表于国际学术期刊The Astrophysical Journal Letters。合作单位包括国家卫星气象中心、紫金山天文台及国家天文台等。该项研究获得了中国科学院B类先导专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、中国气象局空间天气重点开放实验室开放课题及太阳活动与空间天气全国重点实验室专项基金等支持。

论文信息：

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae5801

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