宿英娜

(1 中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái) 南京 210034)

(2 中國(guó)科學(xué)院暗物質(zhì)與空間天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210034)

(3 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院 合肥 230026)

1 引言

日冕中的剪切(shear)或紐纏(twist)的磁場(chǎng)在觀測(cè)中表現(xiàn)為日面上的暗條通道(filament channel)和太陽(yáng)邊緣的冕穴(cavity).暗條通常位于光球磁中性線上方、冕穴底部.這些結(jié)構(gòu)在含太陽(yáng)耀斑、暗條爆發(fā)以及日冕物質(zhì)拋射(CME)在內(nèi)的太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用[1].因此研究暗條的磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其演化是理解太陽(yáng)爆發(fā)觸發(fā)機(jī)制的關(guān)鍵.雖然近些年來(lái)在日冕磁場(chǎng)測(cè)量上取得一些進(jìn)展[2?4],但遺憾的是我們?nèi)匀粺o(wú)法對(duì)日冕磁場(chǎng)進(jìn)行常規(guī)觀測(cè).利用可常規(guī)觀測(cè)的光球磁場(chǎng)來(lái)外推日冕磁場(chǎng)是目前常用的方法.

支撐暗條的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的理論模型大致可以分為兩類(lèi):暗條物質(zhì)位于剪切磁拱[5?6]或磁通量繩[7?8]中的水平磁力線的磁凹陷處;暗條物質(zhì)位于豎直電流片中纏結(jié)的磁場(chǎng)(tangled field)的小磁凹陷處[9].

太陽(yáng)爆發(fā)的觸發(fā)機(jī)制有多種,大致可分為兩類(lèi):一類(lèi)與磁重聯(lián)有關(guān),如位于剪切磁拱上方的磁零點(diǎn)處磁重聯(lián)所觸發(fā)的磁場(chǎng)爆破(magnetic breakout)模型[5]、磁場(chǎng)剪切和/或匯聚(converging)運(yùn)動(dòng)模型[10?11]、磁流浮現(xiàn)模型[12]以及磁對(duì)消模型[13?14];另一類(lèi)與理想磁流體力學(xué)不穩(wěn)定性有關(guān),如最近受到較多關(guān)注的Torus不穩(wěn)定性[15?16]和扭折(kink)不穩(wěn)定性[17?18],由于光球磁場(chǎng)的緩慢運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的磁通量繩災(zāi)變[19?20]也可能觸發(fā)爆發(fā).此外,日珥中等離子體的減少也可能使寧?kù)o區(qū)的磁通量繩失去穩(wěn)定性[21].到目前為止,我們通常很難確定某個(gè)具體的爆發(fā)事件是由哪一種或哪幾種機(jī)制聯(lián)合觸發(fā)的.

2 日冕磁場(chǎng)重建方法

2.1 無(wú)力場(chǎng)

在低日冕,磁場(chǎng)壓強(qiáng)比等離子體壓強(qiáng)高出幾個(gè)數(shù)量級(jí).因此等離子體壓強(qiáng)和重力等非磁力可以忽略從而得出無(wú)力場(chǎng)的假設(shè):J×B=0.如果電流和磁力線平行或反向平行,即?×B=αB,無(wú)力場(chǎng)的條件就可以滿足.目前日冕磁場(chǎng)外推一般采用以下3種假設(shè):(1)無(wú)電流勢(shì)場(chǎng)(α=0);(2)線性無(wú)力場(chǎng)(α=常數(shù));(3)非線性無(wú)力場(chǎng)(同一條磁力線上α是常數(shù),不同的磁力線α不同).

因?yàn)樵跀?shù)學(xué)上較易處理而且只需用到光球磁場(chǎng)視向分量的觀測(cè),所以勢(shì)場(chǎng)和線性無(wú)力場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛.在大尺度上,對(duì)綜合磁圖的全球勢(shì)場(chǎng)外推可以用來(lái)研究日冕和日球?qū)拥拇蟪叨冉Y(jié)構(gòu)(如冕洞的位置、形狀和尺寸、冕流、日球?qū)与娏髌捌溲莼?[22].一般情況下,勢(shì)場(chǎng)不能用來(lái)描述非勢(shì)性很強(qiáng)的活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)[23].勢(shì)場(chǎng)作為活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)的“零級(jí)”近似,雖然沒(méi)有磁繩,但仍然保留了磁場(chǎng)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),包括磁零點(diǎn)(Null)、界線(Separator)、磁準(zhǔn)分界層(QSL)等;關(guān)于勢(shì)場(chǎng)對(duì)于磁場(chǎng)拓?fù)涞难芯康摹棒敯粜浴笨蓞⒁?jiàn)文獻(xiàn)[24–27],其中勢(shì)場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與耀斑帶或耀斑環(huán)仍然大體符合.勢(shì)場(chǎng)還可以用來(lái)研究約束磁繩的背景磁場(chǎng)[28].一方面由于難以明確區(qū)分背景磁場(chǎng)與磁繩磁場(chǎng),另一方面由于為磁繩提供約束力的是垂直磁繩軸向的背景磁場(chǎng)分量,而勢(shì)場(chǎng)一般垂直于磁繩所在的中性線,所以在觀測(cè)和模擬中一般都用勢(shì)場(chǎng)來(lái)近似背景場(chǎng).線性無(wú)力場(chǎng)對(duì)活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)相對(duì)較好的假設(shè),但是α為常數(shù)的非物理近似導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量日冕的磁場(chǎng)自由能[29].因此,非線性無(wú)力場(chǎng)是重建日冕磁場(chǎng)最理想的手段.

2.2 非線性無(wú)力場(chǎng)構(gòu)建方法

2.2.1 光球矢量磁場(chǎng)外推法

目前大部分非線性無(wú)力場(chǎng)的構(gòu)建方法是以觀測(cè)的光球矢量磁場(chǎng)為邊界條件,對(duì)無(wú)散和無(wú)力等條件進(jìn)行最優(yōu)化,將磁場(chǎng)外推到一個(gè)日冕的有限區(qū)域內(nèi).在過(guò)去的30 yr里,大量的非線性無(wú)力場(chǎng)構(gòu)建方法問(wèn)世并不斷完善.這些方法包括:(1)直接縱向積分法[30?34];(2)Grad-Rubin法[35?42];(3)邊界積分法[43?46];(4)磁流體力學(xué)弛豫法[47?53];以及(5)最優(yōu)化法[54?56].關(guān)于非線性無(wú)力場(chǎng)外推方法的詳細(xì)綜述請(qǐng)參考文獻(xiàn)[57–67].

針對(duì)以上各種難題的解決方法尚未完善,因此我們?nèi)匀粺o(wú)通過(guò)觀測(cè)的光球矢量磁場(chǎng)來(lái)獲得確鑿可信的日冕磁場(chǎng)模型.不同的非線性無(wú)力場(chǎng)外推方法,同一個(gè)方法的不同實(shí)施方式,甚至同一方法應(yīng)用到同一組數(shù)據(jù)的不同磁極上,經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生彼此不一致或與觀測(cè)的日冕結(jié)構(gòu)不一致的結(jié)果[60,74?76].若要解決以上問(wèn)題還需要大量深入的研究.

2.2.2 其他非線性無(wú)力場(chǎng)的重建方法

由于上述日冕磁場(chǎng)外推方法中存在著諸多困難,有些學(xué)者開(kāi)始嘗試發(fā)展利用日冕圖像和光球視向磁場(chǎng)來(lái)構(gòu)建非線性無(wú)力場(chǎng)的方法.這些方法只需用到光球磁場(chǎng)的徑向分量,因此橫向場(chǎng)的測(cè)量誤差對(duì)其影響較小.比如van Ballegooijen[77]提出的“磁通量繩插入法”,該方法通過(guò)在活動(dòng)區(qū)的勢(shì)場(chǎng)模型中插入磁通量繩后應(yīng)用磁摩擦弛豫法獲得非線性無(wú)力場(chǎng)[47],所得到的磁場(chǎng)模型由觀測(cè)的非勢(shì)結(jié)構(gòu)(如暗條、紐纏或剪切的日冕弧、冕穴等)來(lái)制約.這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:因?yàn)椴恍枰噶看艌?chǎng)觀測(cè),所以應(yīng)用范圍較廣;最適模型的磁力線與觀測(cè)的日冕非勢(shì)結(jié)構(gòu)符合較好.這種方法非常靈活,不僅可以構(gòu)建與日冕觀測(cè)相符的磁場(chǎng)模型,還可以提供所構(gòu)建的磁場(chǎng)位形的穩(wěn)定性等信息.這種方法的缺點(diǎn)是采用了試差法,所以耗時(shí)很長(zhǎng).而且這種方法的最適模型受觀測(cè)的日冕圖像制約,因此可能與觀測(cè)的光球矢量磁場(chǎng)有差距.“磁通量繩插入法”被廣泛應(yīng)用于研究含有暗條的活動(dòng)區(qū)[78?82]、S形活動(dòng)區(qū)的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)[83?85]以及極區(qū)寧?kù)o日珥[86?87].這些研究表明當(dāng)耀斑前磁場(chǎng)中磁通量繩的軸向場(chǎng)(axial flux)接近不穩(wěn)定性閾值時(shí)該活動(dòng)區(qū)會(huì)產(chǎn)生爆發(fā)耀斑;反之會(huì)產(chǎn)生約束耀斑.通過(guò)3維日冕磁場(chǎng)模擬我們可以更好地理解耀斑觸發(fā)機(jī)制.

此外,Malanushenko等[64]提出了準(zhǔn)Grad-Rubin法,即磁場(chǎng)外推和電流插補(bǔ)的混合.該方法首先將觀測(cè)的冕環(huán)假設(shè)為α是常數(shù)的磁力線,而且不同的冕環(huán)α值不同.該方法采用了修改版的Wheatland & Regnier程序[88],在一個(gè)準(zhǔn)Grad-Rubin方法中將沿著近似弧軌道的α近似值作為體積的限制.這種方法可以很好地重建較大尺度的日冕結(jié)構(gòu),比如電流結(jié)構(gòu)、磁力線形狀以及磁力線的連接等,但不能重建日冕精細(xì)結(jié)構(gòu).

3 日冕磁場(chǎng)重建的應(yīng)用

3.1 耀斑的能量積累和釋放

盡管日冕磁場(chǎng)外推過(guò)程中存在諸多困難,近10 yr來(lái)非線性無(wú)力場(chǎng)模型已經(jīng)逐漸被廣泛應(yīng)用到太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)的研究中.耀斑和CME等太陽(yáng)爆發(fā)現(xiàn)象是一個(gè)快速的能量釋放過(guò)程,期間日冕磁場(chǎng)能量有效地轉(zhuǎn)化為等離子體的動(dòng)能和熱能以及加速粒子的非熱能.磁場(chǎng)自由能Efree指的是磁場(chǎng)總能量Etot中超出勢(shì)場(chǎng)能量Epot的那部分(Efree=Etot?Epot),通常認(rèn)為自由能是能為太陽(yáng)爆發(fā)提供的磁場(chǎng)能量的上限.通過(guò)持續(xù)的磁通量浮現(xiàn)[89],包含剪切或紐纏運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的光球表面運(yùn)動(dòng)[90],或者兩者驅(qū)動(dòng)的低層大氣磁重聯(lián)[91]等方式,日冕中的磁場(chǎng)能量逐漸得以積累.Su等[80]對(duì)一個(gè)衰退活動(dòng)區(qū)的非線性無(wú)力場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn)耀斑前磁場(chǎng)自由能的積累伴隨著小幅度的磁流浮現(xiàn)和磁對(duì)消現(xiàn)象.活動(dòng)區(qū)AR 11158的磁場(chǎng)外推結(jié)果表明,在大耀斑之前的磁流浮現(xiàn)期間,位于較低的S形暗條附近的電流和磁場(chǎng)自由能大幅增加[92].該活動(dòng)區(qū)的磁場(chǎng)自由能最大為2.6×1032erg,約50%的自由能儲(chǔ)存在光球表面以上6 Mm以下的高度范圍內(nèi).

Bleybel等[93]利用Grad-Rubin外推法構(gòu)建對(duì)活動(dòng)區(qū)AR 7912的非線性無(wú)力場(chǎng)模型與Yohkoh衛(wèi)星觀測(cè)的軟X射線圖像大致相符.與線性無(wú)力場(chǎng)和勢(shì)場(chǎng)相比,非線性無(wú)力場(chǎng)模型與觀測(cè)符合更好.研究還發(fā)現(xiàn)耀斑爆發(fā)伴隨著磁場(chǎng)儲(chǔ)能減少現(xiàn)象.Regnier等[94]利用Grad-Rubin外推法研究活動(dòng)區(qū)AR 8151時(shí)發(fā)現(xiàn),該活動(dòng)區(qū)儲(chǔ)存的磁場(chǎng)自由能不足以發(fā)動(dòng)一個(gè)耀斑.利用最優(yōu)化磁場(chǎng)外推法,Thalmann和Wiegelmann[95]及Thalmann等[96]發(fā)現(xiàn)活動(dòng)區(qū)AR 10960一個(gè)小的C級(jí)耀斑開(kāi)始前非線性無(wú)力場(chǎng)中的能量比勢(shì)場(chǎng)的能量高出5%.然而在活動(dòng)區(qū)AR 10540一個(gè)大的M級(jí)耀斑開(kāi)始前非線性無(wú)力場(chǎng)中的能量比勢(shì)場(chǎng)的能量高出60%.上述研究表明活動(dòng)區(qū)的非線性無(wú)力場(chǎng)模型中的磁場(chǎng)自由能足以(不足以)發(fā)動(dòng)一個(gè)耀斑時(shí),觀測(cè)中確實(shí)有(沒(méi)有)耀斑產(chǎn)生,而且活動(dòng)區(qū)的相對(duì)磁場(chǎng)自由能(相對(duì)于勢(shì)場(chǎng)能量)越多,越易產(chǎn)生較大級(jí)別的耀斑.Jing等[97]和Su等[98]的大樣本統(tǒng)計(jì)研究表明,非線性無(wú)力場(chǎng)中的磁場(chǎng)自由能與軟X射線的耀斑指數(shù)正相關(guān),在耀斑預(yù)報(bào)方面磁場(chǎng)自由能比活動(dòng)區(qū)磁通量稍準(zhǔn)確些.Aschwanden[99]發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)自由能與一些最大級(jí)別的耀斑的Geostationary Satellite(GOES)流量之間存在指數(shù)關(guān)系.

不同活動(dòng)區(qū)的非線性無(wú)力場(chǎng)研究證實(shí)耀斑的產(chǎn)生伴隨磁場(chǎng)自由能釋放,但是不同方法估算出的釋放自由能的數(shù)值有偏差[75,100].觀測(cè)矢量磁圖的不確定性會(huì)導(dǎo)致我們低估實(shí)際磁場(chǎng)能量值[101].Sun等[92]發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)達(dá)1 h的X級(jí)耀斑期間,自由能降幅為0.3×1032erg,顯然低估了實(shí)際的能量損失.圖1顯示4個(gè)X級(jí)耀斑非熱輻射光變曲線及相關(guān)的磁場(chǎng)自由能(非線性無(wú)力場(chǎng)外推結(jié)果)和磁通量隨時(shí)間的演化.如圖1所示,在非熱耀斑輻射峰值之前15 min內(nèi)該活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)自由能開(kāi)始顯著下降,其中3個(gè)事件的磁場(chǎng)自由能在硬X射線峰值之后停止下降.結(jié)果表明耀斑磁重聯(lián)開(kāi)始之前日冕磁能釋放就已經(jīng)開(kāi)始了[102].Jiang等[103]發(fā)現(xiàn)磁繩部分爆發(fā)前磁場(chǎng)自由能的高度顯著上升,大致位于2–8 Mm高度范圍內(nèi).爆發(fā)后,自由能的分布范圍縮小而且急劇向下收縮.Liu等[104]發(fā)現(xiàn)耀斑前磁通量繩紐纏數(shù)的增加并未對(duì)活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)自由能產(chǎn)生任何影響,然而耀斑后磁繩紐纏數(shù)的衰減與自由能的逐步下降對(duì)應(yīng).與爆發(fā)中釋放的能量相比,觸發(fā)爆發(fā)有關(guān)的額外自由能較少且位于局部區(qū)域內(nèi).康凱峰等[105?106]發(fā)現(xiàn)耀斑的前相和脈沖相分別對(duì)應(yīng)于活動(dòng)區(qū)磁自由能的緩慢釋放和快速釋放階段.活動(dòng)區(qū)自由能在耀斑衰減相的前期表現(xiàn)為緩慢釋放,在后期通常會(huì)停止釋放并逐步升高.

3.2 爆發(fā)前的磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及形成

大量活動(dòng)區(qū)的非線性無(wú)力場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn),耀斑前活動(dòng)區(qū)存在一個(gè)[79,81,92]或多個(gè)紐纏程度不一的磁通量繩[80,107?110],這些磁繩在局部區(qū)域內(nèi)還可能出現(xiàn)雙層或多層結(jié)構(gòu)[107?108,111?112],如圖2所示.Liu等[111]發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)同源CME可來(lái)自活動(dòng)區(qū)中同一中性線或不同中性線的磁繩.Awasthi等[112]發(fā)現(xiàn)一個(gè)含多個(gè)分支的復(fù)雜磁繩系統(tǒng)及其內(nèi)部的磁重聯(lián).部分研究發(fā)現(xiàn)耀斑前活動(dòng)區(qū)磁通量繩和剪切磁拱共存.在相同螺度的磁場(chǎng)中,磁繩和磁拱易產(chǎn)生相反手性的暗條足點(diǎn)和倒鉤(barb)[110?111].

膨脹土邊坡降雨失穩(wěn)后的邊坡立面圖如圖4所示。由于發(fā)生牽引式滑坡，失穩(wěn)后的膨脹土邊坡表現(xiàn)出了明顯的坡頂塌陷和坡腳隆起現(xiàn)象。此時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果也同離心模型試驗(yàn)結(jié)果保持了較好的一致性。

圖1 4個(gè)活動(dòng)區(qū)的磁場(chǎng)自由能(黑色)和磁通量(橘色)的時(shí)變曲線.灰色曲線表示耀斑非熱輻射隨時(shí)間的變化,單位任意.這些光變曲線分別對(duì)應(yīng)Yohkoh衛(wèi)星的硬X射線(53–93 keV,a),OVSA的微波(10 GHz,b),RHESSI的硬X射線(c–d).圖中綠色線段標(biāo)示出耀斑前15 min內(nèi)磁場(chǎng)自由能的下降趨勢(shì).磁場(chǎng)自由能的誤差由誤差棒表示.該圖出自Jing等[102].Fig.1 Temporal variation of the free magnetic energy(Efree,black diamond)and the photosphere magnetic flux(orange)of four active regions.The gray curves indicate the flare nonthermal emission in arbitrary units.They are Yohkoh hard X-ray light curve in the 53–93 keV H channels(panel a),OVSA microwave 10 GHz light curve(panel b),and RHESSI hard X-ray 50–100 keV light curve(panels c and d).The green lines indicate the decreasing trend of Efree～15 minutes prior to the flares.The error bars indicate the uncertainties in Efree.Curtesy of Jing et al.[102].

圖2 觀測(cè)暗條和模擬磁通量繩的對(duì)比.(a)–(c)有著顯著紐纏結(jié)構(gòu)的左邊和右邊暗條的New Vacuum Solar Telescope(NVST)Hα圖像,和Solar Dynamics Observatory上的Atmospheric Imaging Assembly(SDO/AIA)94?A波段觀測(cè)的長(zhǎng)亮弧.(d)–(f)表征左右兩個(gè)暗條以及長(zhǎng)亮弧的模型磁力線.該圖出自Li等[108].Fig.2 Comparison between observed filaments and model flux ropes.(a)–(c)New Vacuum Solar Telescope(NVST)Hαimages of the left and right filaments with a clear twist structure,and Atmospheric Imaging Assembly on board of Solar Dynamics Observatory(SDO/AIA)94?A image with a bright long loop.(d)–(f)Selected model field lines representing the left and right filaments,as well as the bright long loop are overlaid on images corresponding to those in the top row.Curtesy of Li et al.[108].

通過(guò)Grad-Rubin外推法、磁流體力學(xué)弛豫法以及最優(yōu)化等不同外推法的研究均發(fā)現(xiàn)非線性無(wú)力場(chǎng)模型與觀測(cè)的S形結(jié)構(gòu)或蛇形結(jié)構(gòu)在形態(tài)上一致[91,113?114].部分研究發(fā)現(xiàn)磁繩不是整體從光球下面浮現(xiàn)出來(lái),而是在伴隨磁浮現(xiàn)的光球剪切或旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下在日冕中形成的.磁對(duì)消是Sigmoid磁繩形成的主要機(jī)制[103,115].Savcheva等[115]發(fā)現(xiàn)對(duì)大部分由“磁通量繩插入法”構(gòu)建的模型而言,磁繩的軸向和極向磁通量的總和占對(duì)消的磁通量的60%–70%,相當(dāng)于活動(dòng)區(qū)總磁通量的30%–50%.磁通量的測(cè)量以及磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的研究表明活動(dòng)區(qū)首先形成一個(gè)具有強(qiáng)軸向場(chǎng)的剪切磁拱,然后隨著磁對(duì)消進(jìn)而形成較長(zhǎng)的S形磁力線.此外,S形磁力線的磁凹陷位于磁對(duì)消的區(qū)域,磁場(chǎng)自由能主要匯聚于此處.耀斑亮點(diǎn)和耀斑弧與最強(qiáng)的磁對(duì)消位置處形成的多X-線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相符.通過(guò)對(duì)活動(dòng)區(qū)AR 11158長(zhǎng)達(dá)5 d內(nèi)的磁場(chǎng)和能量隨時(shí)間的演化研究,Sun等[92]發(fā)現(xiàn)磁流浮現(xiàn)和強(qiáng)剪切運(yùn)動(dòng)形成了4極黑子的復(fù)雜磁結(jié)構(gòu),從而產(chǎn)生包括24活動(dòng)周中的第1個(gè)X級(jí)耀斑在內(nèi)的多個(gè)重大事件.

3.3 爆發(fā)的觸發(fā)和演化

研究發(fā)現(xiàn),如果磁繩進(jìn)入Torus不穩(wěn)定區(qū)域,就會(huì)觸發(fā)爆發(fā)[15,18].利用“磁通量繩插入法”對(duì)幾個(gè)活動(dòng)區(qū)的非線性無(wú)力場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn),爆發(fā)前活動(dòng)區(qū)通常存在一個(gè)強(qiáng)剪切弱紐纏的磁通量繩.如果磁繩中的軸向磁通量(axial flux)達(dá)到不穩(wěn)定性的閾值,該磁繩將變得不穩(wěn)定而成功爆發(fā),反之磁繩將保持穩(wěn)定[79?81,83].Jiang等[103]發(fā)現(xiàn)磁繩形成后逐漸上升到Torus不穩(wěn)定性區(qū)域,禿斑(bald patch)分界線表面也逐漸發(fā)展為S形結(jié)構(gòu).Torus不穩(wěn)定性驅(qū)動(dòng)的磁繩膨脹和禿斑的固結(jié)效應(yīng)將磁繩分裂為兩部分,上部分拋射出去,下部分留在耀斑后弧下方.一個(gè)爆發(fā)一般由多種機(jī)制觸發(fā)產(chǎn)生,在X2.1級(jí)耀斑(SOL2011-09-06T22:12)過(guò)程中,除Torus不穩(wěn)定性以外,磁重聯(lián)將磁繩分為兩部分,磁繩上方零點(diǎn)處的磁爆破(breakout)重聯(lián)也有助于磁繩的最終拋射.Su等[87]發(fā)現(xiàn)一個(gè)極區(qū)爆發(fā)暗條快速上升相開(kāi)始時(shí),冕穴中心(代表磁繩的中心)高度處的磁場(chǎng)衰減指數(shù)(decay index,約為1±0.2)已經(jīng)達(dá)到Torus不穩(wěn)定性的閾值.James等[116]發(fā)現(xiàn)SOL2012-06-14耀斑前,該活動(dòng)區(qū)的磁繩最高達(dá)到光球以上150 Mm的高度,磁繩的中心處的磁場(chǎng)衰減指數(shù)也已達(dá)到Torus不穩(wěn)定性的閾值,如圖3所示.

圖3 平行(左圖)和垂直于(右圖)磁通量繩中心的衰減因子分布圖.磁繩中心的衰減因子為1.8.該圖出自James等[116].Fig.3 The decay index is computed in slices along(left)and perpendicular(right)to the flux rope axis.The decay index at the center of the flux rope is≈1.8.Curtesy of James et al.[116].

活動(dòng)區(qū)AR 11817磁繩的峰值紐纏數(shù)(twist number)在耀斑前半小時(shí)內(nèi)會(huì)增加,而耀斑峰值后會(huì)下降,表明磁繩的kink不穩(wěn)定性是所研究耀斑的主要觸發(fā)機(jī)制.磁繩紐纏數(shù)可以作為一個(gè)預(yù)報(bào)爆發(fā)開(kāi)始以及空間天氣的有用參數(shù)[104].活動(dòng)區(qū)AR 12017的一些耀斑主要是由發(fā)生一系列部分爆發(fā)的磁繩的kink不穩(wěn)定性觸發(fā)的.與其他參數(shù)相比,磁繩的最大紐纏數(shù)的變化與耀斑的觸發(fā)相關(guān)性更加緊密[117].一個(gè)4極活動(dòng)區(qū)的相繼暗條爆發(fā)的磁場(chǎng)模擬研究發(fā)現(xiàn)左邊的暗條在kink不穩(wěn)定性觸發(fā)下率先爆發(fā),該爆發(fā)所致的上方束縛磁場(chǎng)減弱是右邊暗條爆發(fā)的誘因[108].Sun等[118]發(fā)現(xiàn),與耀斑和CME均豐富的活動(dòng)區(qū)相比,耀斑豐富但CME極少的超大活動(dòng)區(qū)AR 12192擁有核心磁場(chǎng)非勢(shì)性較弱,上方束縛磁場(chǎng)較強(qiáng),而且與耀斑相關(guān)的磁場(chǎng)變化較少等幾個(gè)特征.Chintzoglou等[119]發(fā)現(xiàn)一個(gè)磁繩在上升過(guò)程中與周?chē)艌?chǎng)發(fā)生相互作用而破壞,產(chǎn)生冷等離子體的下降流動(dòng)以及彌散的類(lèi)似“cusps”的熱日冕結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致爆發(fā)失敗.

QSL是3維磁結(jié)構(gòu)中磁力線連接性發(fā)生顯著改變的區(qū)域,觀測(cè)表明它們通常和耀斑帶空間位置相符[120].這是因?yàn)榇艤?zhǔn)分界層處易形成電流片,重聯(lián)加速的粒子可以沿著QSL轟擊低層大氣[121?122].磁繩的形成及加熱可能與QSL處的磁重聯(lián)有關(guān)[110].活動(dòng)區(qū)AR 12017耀斑前包裹磁繩的封閉QSL變化緩慢,而耀斑后QSL急劇縮小[117].活動(dòng)區(qū)AR 11967第1個(gè)M級(jí)耀斑開(kāi)始10 h前局部區(qū)域內(nèi)已經(jīng)儲(chǔ)存了足夠的磁場(chǎng)自由能,1 h后這個(gè)局部區(qū)域內(nèi)的QSL開(kāi)始逐漸形成.QSL的形成過(guò)程與光球現(xiàn)有的磁通量和正在浮現(xiàn)的磁通量的橫向運(yùn)動(dòng)有關(guān),而且一條耀斑帶與QSL的位置相符.該研究表明,耀斑的產(chǎn)生前提是事先儲(chǔ)存有自由能的非勢(shì)場(chǎng)中QSL的形成[123].Guo等[110]發(fā)現(xiàn)致密耀斑是由持續(xù)磁螺度注射引起的較大磁壓縮因子(Squashing factor,Q)值的QSL處的磁重聯(lián)誘發(fā)的.

Savcheva等[124]研究了7個(gè)雙帶耀斑的磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的演化,發(fā)現(xiàn)對(duì)所有耀斑而言,QSL圖與日冕以及色球等低層大氣中的耀斑帶,在位置、尺度和形狀等多方面均符合較好.相比與磁繩相關(guān)的彎曲部分,兩個(gè)J形耀斑帶直的部分與QSL符合更好.通常認(rèn)為彎曲部分對(duì)應(yīng)磁繩足點(diǎn),符合較差是因?yàn)楸l(fā)過(guò)程的磁重聯(lián)對(duì)磁繩中的磁通量有重要貢獻(xiàn)[125?126],而無(wú)力場(chǎng)外推或磁繩插入法均難以定量計(jì)入這些貢獻(xiàn).Zhao等[127]利用Grad-Rubin方法來(lái)模擬一個(gè)Sigmoid活動(dòng)區(qū)AR 12158也得出與上述工作一致的結(jié)論,耀斑帶相關(guān)的磁繩QSL足點(diǎn)與“新3維耀斑模型”中倒立淚珠形日冕QSL及其下方存在雙曲通量管(Hyperbolic Flux Tube,HFT)一致.康凱峰等[105?106]發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)外推結(jié)果計(jì)算得到的QSL在色球和日冕中的位置和相應(yīng)高度觀測(cè)到的耀斑帶的位置符合較好,各層次的QSL與相應(yīng)層次的耀斑亮帶在時(shí)間上也有近乎一致的演化行為,這凸顯了QSL理論在3維磁重聯(lián)和耀斑研究中的作用.Savcheva等[128]進(jìn)一步利用“磁通量繩插入法”構(gòu)造的不穩(wěn)定模型來(lái)研究3個(gè)活動(dòng)區(qū)的耀斑帶的演化.研究發(fā)現(xiàn)在耀斑雙帶分離階段,來(lái)自重聯(lián)區(qū)的能量沿著磁繩的QSL流動(dòng)與整個(gè)耀斑過(guò)程中耀斑帶的動(dòng)態(tài)演化符合很好.以前的研究普遍認(rèn)為QSL是靜態(tài)的并不隨時(shí)間而變化,而該研究表明隨時(shí)間變化的耀斑帶總是與隨時(shí)間變化的QSL的位置相符,如圖4所示.耀斑帶在弱磁場(chǎng)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)比在強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域運(yùn)動(dòng)速度快是因?yàn)榇胖芈?lián)率與所經(jīng)過(guò)區(qū)域的磁通量有關(guān).該研究表明我們可以用“磁通量繩插入法”構(gòu)建的準(zhǔn)不穩(wěn)定模型來(lái)預(yù)測(cè)耀斑帶的位置和分離過(guò)程.

通常認(rèn)為,耀斑帶是磁重聯(lián)加速的粒子束在低層大氣沿磁分界線(separatrix)或QSL足點(diǎn)的響應(yīng).如果磁重聯(lián)發(fā)生在日冕3維磁零點(diǎn)處(Null),圓頂狀的扇形表面足點(diǎn)將會(huì)勾勒出一個(gè)封閉的準(zhǔn)圓形帶.有關(guān)準(zhǔn)圓形耀斑的多項(xiàng)磁場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn),這些活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)均為扇形-脊線(fan-spine)位形.部分事件初始重聯(lián)發(fā)生在磁零點(diǎn)[80,129],其他事件起始于扇形圓頂下方的磁繩或微暗條爆發(fā)[103,130].Masson等[131]的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)圓形耀斑帶按逆時(shí)針?lè)较蝽樞蛟隽?與脊線(spine)相關(guān)的耀斑帶是細(xì)長(zhǎng)的.作者進(jìn)而對(duì)該活動(dòng)區(qū)進(jìn)行了勢(shì)場(chǎng)外推并以勢(shì)場(chǎng)模型為基礎(chǔ)對(duì)該事件展開(kāi)了低β值的阻尼(resistive)磁流體力學(xué)模擬.研究發(fā)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)勢(shì)場(chǎng)模型中就存在磁零點(diǎn)位形,磁零點(diǎn)處的重聯(lián)前后,所有磁力線都在QSL處經(jīng)歷了滑動(dòng)或快速滑動(dòng)磁重聯(lián).Sun等[129]發(fā)現(xiàn)一個(gè)非徑向爆發(fā)與磁爆破噴流(blowout jet)相似,爆發(fā)早期的倒Y形結(jié)構(gòu)與非線性無(wú)力場(chǎng)中磁零點(diǎn)(9 Mm)上方的開(kāi)放磁力線有關(guān).該爆發(fā)之所以是非徑向可能源于上方的傾斜磁弧和各向異性的磁壓.

圖4 SOL2010-04-08耀斑事件中不同時(shí)刻觀測(cè)圖像和QSL圖像的合成圖.6張觀測(cè)圖像顯示出耀斑帶隨時(shí)間的演化,QSL圖像來(lái)自于迭代過(guò)程中間隔為20000次的6個(gè)不同時(shí)刻.此處的電流為歸一化后的電流,最大值為1.該圖出自Savcheva等[128].Fig.4 QSL maps overlaid on six different images of the flare ribbons in the SOL2010-04-08 flare.The images are taken at six consecutive times showing the progression of the ribbons in the region.The QSL maps are taken at six different moments in the iteration procedure spaced by 20000 iterations.The current is in normalized units,where the maximum of the current is 1.Courtesy of Savcheva et al.[128].

Wang和Liu[132]研究了5個(gè)伴隨爆發(fā)日浪和/或遠(yuǎn)程增亮(remote brightenings)現(xiàn)象的準(zhǔn)圓形耀斑,并基于Masson等[131]和Pariat等[133]的模擬結(jié)果提出一個(gè)含有準(zhǔn)圓形耀斑、遠(yuǎn)程增亮和日浪3種現(xiàn)象的概念圖像,如圖5所示.與內(nèi)部脊線相關(guān)的耀斑帶的“往返”運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著磁重聯(lián)朝向和遠(yuǎn)離磁零點(diǎn)滑動(dòng)的過(guò)程.而遠(yuǎn)程增亮的峰值時(shí)間比準(zhǔn)圓形耀斑的峰值大約晚1 min可以歸因于QSL內(nèi)部的磁重聯(lián)向磁零點(diǎn)滑動(dòng)的過(guò)程.而日浪發(fā)生在遠(yuǎn)程增亮之后暗示著準(zhǔn)同時(shí)的磁拓?fù)涞淖兓?這些觀測(cè)第1次揭示了日冕中外部脊線的打開(kāi)和閉合過(guò)程.Liu等[25]發(fā)現(xiàn)一個(gè)部分暗條爆發(fā)中,部分暗條物質(zhì)沿著暗條腿部落回太陽(yáng)表面,另一部分物質(zhì)沿著一個(gè)呈扇形展開(kāi)的簾幕狀結(jié)構(gòu)落到遠(yuǎn)處耀斑帶.該區(qū)域有兩個(gè)聯(lián)合的圓頂形結(jié)構(gòu),其中一個(gè)圓頂下方的暗條爆發(fā)引發(fā)了該圓頂足點(diǎn)處的主要耀斑帶,遠(yuǎn)處耀斑帶位于另一個(gè)圓頂形結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)側(cè)足點(diǎn).作者認(rèn)為爆發(fā)暗條和上方QSL的相互作用引發(fā)了暗條的分裂和瓦解.Li等[134]研究?jī)蓚€(gè)相繼發(fā)生的準(zhǔn)圓形耀斑時(shí)提出一個(gè)扇形-脊線位形中成功產(chǎn)生兩次耀斑帶和多個(gè)微暗條爆發(fā)的準(zhǔn)圓形耀斑的復(fù)合模型.Su等[109]對(duì)高分辨率觀測(cè)的拱形纖維系統(tǒng)(Arch Filament System)進(jìn)行了深入觀測(cè)研究和磁場(chǎng)建模,如圖6所示.該結(jié)構(gòu)四周環(huán)繞著時(shí)而增亮的準(zhǔn)圓形耀斑帶,利用兩種重建方法構(gòu)造的日冕磁場(chǎng)模型均表明該區(qū)域含有多條極性不同的磁通量繩,耀斑的各種宏觀和精細(xì)結(jié)構(gòu)均與該區(qū)域的復(fù)雜磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān).與大部分準(zhǔn)圓形耀斑不同之處在于,該活動(dòng)區(qū)并不存在磁零點(diǎn)結(jié)構(gòu).

圖5 闡述3維磁零點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中圓形耀斑、噴流和遠(yuǎn)程增亮之間關(guān)系的概念圖像,該圖像建立在Masson等[131](M09)和Pariat等[133](P10)兩個(gè)工作的基礎(chǔ)之上.該圖出自Wang和Liu[132].Fig.5 Schematic picture demonstrating the relationship among circular flare ribbons,jets,and remote brightenings in a 3D null-point magnetic topology,based on and combining the modeling results of Masson et al.[131](M09)and Pariat et al.[133](P10).Courtesy of Wang & Liu[132].

Liu等[24]研究一個(gè)特殊位形的X級(jí)耀斑時(shí)發(fā)現(xiàn),該活動(dòng)區(qū)的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)主要由一個(gè)T形雙曲流管(HFT)分開(kāi)的兩組剪切磁拱組成.其中一組磁拱下方含有一個(gè)與暗條對(duì)應(yīng)的磁繩.另一組磁拱下方的磁流浮現(xiàn)觸發(fā)了耀斑,而長(zhǎng)期的衰減相中耀斑帶和耀斑弧的結(jié)構(gòu)和演化由事先存在的HFT和磁繩來(lái)支配,觀測(cè)中的cusp形結(jié)構(gòu)是由HFT上方的QSL決定的.Liu等[26]對(duì)活動(dòng)區(qū)AR 11967產(chǎn)生的系列X形耀斑帶的研究發(fā)現(xiàn),該X結(jié)構(gòu)是由一個(gè)雙曲流管的兩個(gè)QSL的相互作用所致,而且HFT內(nèi)部含有一個(gè)連接雙零點(diǎn)的磁分界線.非線性無(wú)力場(chǎng)研究顯示HFT處形成一個(gè)電流層,而且該處的電流耗散產(chǎn)生的沿磁力線的熱傳導(dǎo)與觀測(cè)的X形耀斑帶相符.Gou等[27]發(fā)現(xiàn)在耀斑衰減相冕環(huán)沿HFT的滑動(dòng).這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)HFT結(jié)構(gòu)在3維磁重聯(lián)中的關(guān)鍵作用,對(duì)天體物理和實(shí)驗(yàn)室等離子體的研究有重要意義.

圖6 2015年8月7日拱形纖維系統(tǒng)(AFS)的非線性無(wú)力場(chǎng)外推模型(左),“磁通量繩插入法”構(gòu)建的紐纏磁繩模型(中)和剪切磁拱模型(右).第1排顯示疊加有圍繞著拱形纖維系統(tǒng)的準(zhǔn)圓形高Q值線處選取的磁力線非線性無(wú)力場(chǎng)模型的光球lg Q圖像.第2排展示疊加有顯著紐纏的磁力線的非線性無(wú)力場(chǎng)模型的光球磁紐纏圖像,其中粉紅色和綠色分別表示正紐纏和負(fù)紐纏.該圖出自Su等[109].Fig.6 The NLFFF models from extrapolations(left row),models with twisted flux ropes(middle row),and sheared arcades(right row)constructed by using the flux rope-insertion method for the arch filament system(AFS)on 2015 August 7.The top panels show selected field lines traced from the semicircular high-Q line that surrounds the AFS of interest overlaid on the photospheric maps of lg Q.The bottom panels present photospheric maps of magnetic twist derived from the NLFFF models superimposed with selected field lines with a significant magnetic twist.Field lines of positive(negative)twist are indicated in magenta(green).Courtesy of Su et al.[109].

3.4 寧?kù)o區(qū)和極區(qū)暗條的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)

寧?kù)o區(qū)和極區(qū)的磁場(chǎng)較弱導(dǎo)致矢量磁場(chǎng)的測(cè)量精確度偏低,基于光球矢量磁場(chǎng)觀測(cè)的非線性無(wú)力場(chǎng)外推結(jié)果很難與觀測(cè)相符.因此,目前對(duì)寧?kù)o區(qū)和極區(qū)暗條的磁場(chǎng)模擬研究工作較少.利用“磁通量繩插入法”,我們對(duì)多個(gè)寧?kù)o區(qū)或極區(qū)暗條進(jìn)行日冕磁場(chǎng)重建,發(fā)現(xiàn)所研究的寧?kù)o暗條均由磁通量繩支撐,但磁繩的紐纏程度強(qiáng)弱不一,有的較弱[135?136](圖7),有的較強(qiáng)[86?87](圖8).支撐暗條的磁凹陷高度最高可達(dá)70 Mm,磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍自寧?kù)o區(qū)的4.5 Gs到活動(dòng)區(qū)的40 Gs[86].Su等[137]構(gòu)造的磁場(chǎng)模型的磁凹陷位置和高度與觀測(cè)的日珥位置和高度一致,然而該模型無(wú)法重現(xiàn)觀測(cè)中的準(zhǔn)豎直暗條纖維結(jié)構(gòu).統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)暗條通道兩側(cè)的日冕結(jié)構(gòu)存在不對(duì)稱(chēng)性.磁場(chǎng)模擬研究表明通道一側(cè)的亮彎曲結(jié)構(gòu)與進(jìn)入磁繩中的磁力線對(duì)應(yīng),而且色球物質(zhì)可以通過(guò)這些磁力線為暗條注入物質(zhì),而另一側(cè)較暗的直線結(jié)構(gòu)與磁繩上方束縛磁繩的磁力線對(duì)應(yīng).利用CESE(conservation-element and solution-element)-MHD(magnetohydrodynamics)-NLFFF(nonlinear force-free magnetic field)方法,Jiang等[138]首次以光球矢量磁場(chǎng)觀測(cè)為基礎(chǔ)成功重建了一個(gè)大尺度活動(dòng)區(qū)和寧?kù)o區(qū)之間的中間型(intermediate)暗條的磁場(chǎng)模型.該模型含有一個(gè)弱紐纏的磁通量繩,磁繩的磁凹陷與觀測(cè)的暗條及暗條倒鉤結(jié)構(gòu)吻合.

圖7 2016年1月26日一個(gè)寧?kù)o暗條的觀測(cè)和最適非線性無(wú)力場(chǎng)模型的對(duì)比.左右兩列背景分別為Big Bear Solar Observatory(BBSO)/Hα和SDO/AIA 193?A圖像.第2排左圖中磁力線凹陷用藍(lán)色表示,顏色的深淺對(duì)應(yīng)磁凹陷位置的高度.紅色和綠色等值線代表SDO/HMI提供的極性為正或負(fù)的磁極.該圖出自Luna等[135].Fig.7 Comparison between observations and the best-fit magnetic field model for a quiescent filament on 2016 January 26.The left and right columns present Big Bear Solar Observatory(BBSO)/Hαand SDO/AIA 193?A images,respectively.The images in the bottom row are overlaid with field line dips(blue features in panel(c))and selected field lines(colored lines in panel(d))from the best-fit model.The blue color code in panel(c)indicates the heights of the position of dips in the field lines,i.e.,sites where the field lines are locally horizontal and curved upward.The heights are measured in Mm from the solar surface.Red and green contours represent positive and negative magnetic polarities measured with SDO/HMI.Courtesy of Luna et al.[135].

4 總結(jié)與展望

不同活動(dòng)區(qū)的非線性無(wú)力場(chǎng)研究證實(shí)耀斑的產(chǎn)生伴隨磁場(chǎng)自由能釋放,但是不同方法估算出的磁場(chǎng)自由能的數(shù)值有偏差,而且觀測(cè)矢量磁圖的不確定性會(huì)導(dǎo)致我們低估實(shí)際磁場(chǎng)能量值.雖然所得自由能數(shù)值的準(zhǔn)確性仍有待提高,利用非線性無(wú)力場(chǎng)重建來(lái)研究活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)自由能方面仍取得一些進(jìn)展.活動(dòng)區(qū)的非線性無(wú)力場(chǎng)模型中的磁場(chǎng)自由能足以(不足以)發(fā)動(dòng)一個(gè)耀斑時(shí),觀測(cè)中確實(shí)有(沒(méi)有)耀斑產(chǎn)生,而且活動(dòng)區(qū)的相對(duì)磁場(chǎng)自由能(相對(duì)于勢(shì)場(chǎng)能量)越多,越易產(chǎn)生較大級(jí)別的耀斑.統(tǒng)計(jì)研究得出非線性無(wú)力場(chǎng)中的磁場(chǎng)自由能與軟X射線的耀斑指數(shù)正相關(guān).隨著耀斑的進(jìn)行活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)自由能也發(fā)生一些顯著變化,如在耀斑峰值前15 min開(kāi)始下降,在硬X射線輻射峰值之后停止下降.研究還發(fā)現(xiàn)耀斑前相和脈沖相分別對(duì)應(yīng)于活動(dòng)區(qū)磁場(chǎng)自由能的緩慢釋放和快速釋放階段.

大量活動(dòng)區(qū)的非線性無(wú)力場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn),耀斑前活動(dòng)區(qū)存在一個(gè)或多個(gè)紐纏程度不一的磁通量繩,這些磁繩在局部區(qū)域內(nèi)還可能出現(xiàn)雙層或多層結(jié)構(gòu).部分研究發(fā)現(xiàn)耀斑前活動(dòng)區(qū)磁通量繩和剪切磁拱共存.大量研究表明這些非勢(shì)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)并不是整體從光球下面浮現(xiàn)出來(lái),而是在伴隨磁浮現(xiàn)的光球剪切或旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下在日冕中形成的.磁對(duì)消是Sigmoid磁繩形成的主要機(jī)制.非線性無(wú)力場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn)不同事件的觸發(fā)機(jī)制不同.部分研究表明起初磁繩由于各種原因緩慢上升,一旦進(jìn)入Torus不穩(wěn)定性區(qū)域磁繩就會(huì)快速上升.部分研究發(fā)現(xiàn)耀斑的產(chǎn)生與磁繩的扭折不穩(wěn)定性有關(guān),而且在耀斑前磁繩的紐纏數(shù)增加.QSL是3維磁結(jié)構(gòu)中磁力線連接性發(fā)生顯著改變的區(qū)域,觀測(cè)表明它們通常和耀斑帶空間位置相符.利用“磁通量繩插入法”對(duì)多個(gè)雙帶耀斑的磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究表明隨時(shí)間變化的耀斑帶總是與隨時(shí)間變化的QSL的位置相符.大量研究表明準(zhǔn)圓形耀斑帶及遠(yuǎn)程增亮現(xiàn)象與扇形–脊線位形的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)中QSL處的滑動(dòng)磁重聯(lián)和磁零點(diǎn)處的磁重聯(lián)有關(guān).這些工作凸顯了QSL理論在3維磁重聯(lián)和耀斑研究中的重要作用.

圖8 2012年3月12日一個(gè)極區(qū)暗條的觀測(cè)和4個(gè)磁場(chǎng)模型的對(duì)比.第1、2、3行的背景分別為SDO/AIA觀測(cè)的171?A、193?A圖像,和Solar TErrestrial RElations Observatory-B(STEREO-B)提供的171?A圖像.彩色曲線和藍(lán)色區(qū)域分別對(duì)應(yīng)4個(gè)不同模型中的磁力線和磁凹陷.紅色和綠色等值線表征SDO/HMI(Helioseismic and Magnetic Imager)提供的極性為正或負(fù)的光球磁場(chǎng)分布.該圖出自Su等[87].Fig.8 Comparison of four magnetic field models with observations of a polar crown prominence on 2012 March 12.The background images in the first,second,and third rows are observed at 171 and 193?A by SDO/AIA and at 171?A by Solar TErrestrial RElations Observatory-B(STEREO-B),respectively.The color curves and blue features refer to the selected magnetic field lines and field-line dips from four different models.The red and green contours show the observed SDO/HMI(Helioseismic and Magnetic Imager)photospheric flux distribution.Courtesy of Su et al.[87].

利用“磁通量繩插入法”的非線性無(wú)力場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn)爆發(fā)前活動(dòng)區(qū)通常存在一個(gè)強(qiáng)剪切弱紐纏的磁繩,如果磁繩中軸向磁通量達(dá)到不穩(wěn)定性閾值,該磁繩將變得不穩(wěn)定而成功爆發(fā),反之磁繩將保持穩(wěn)定.該方法構(gòu)建的不穩(wěn)定模型作為初始條件進(jìn)行磁流體力學(xué)模擬可以研究整個(gè)太陽(yáng)爆發(fā)過(guò)程中的能量存儲(chǔ)和釋放[107,139].由觀測(cè)驅(qū)動(dòng)/制約的磁流體力學(xué)模擬來(lái)研究太陽(yáng)爆發(fā)是目前太陽(yáng)物理中的一個(gè)重要前沿方向[140?144].基于觀測(cè)手段的限制,目前對(duì)寧?kù)o暗條的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)研究工作較少,初步的磁場(chǎng)重建表明寧?kù)o暗條是由紐纏程度或強(qiáng)或弱的磁通量繩支撐.寧?kù)o日珥觀測(cè)中的龍卷風(fēng)現(xiàn)象、準(zhǔn)豎直的精細(xì)纖維結(jié)構(gòu)以及日珥/暗條觀測(cè)中的各種旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象等尚未解開(kāi)的謎團(tuán)也亟需基于觀測(cè)的磁流體力學(xué)模擬研究.

以上研究表明要理解太陽(yáng)爆發(fā)中的各種觀測(cè)現(xiàn)象,日冕磁場(chǎng)的精確測(cè)量至關(guān)重要.因此,中國(guó)太陽(yáng)物理界提出了地基中國(guó)巨型望遠(yuǎn)鏡(CGST)和日冕磁學(xué)望遠(yuǎn)鏡(COSMOC)的計(jì)劃[145].由CGST提供的高空間、高時(shí)間分辨率的光球矢量磁場(chǎng)的測(cè)量可以幫助我們構(gòu)建更準(zhǔn)確的日冕磁場(chǎng).COSMO-C提供的低日冕磁場(chǎng)觀測(cè)可以更好地制約日冕磁場(chǎng)模型.中國(guó)太陽(yáng)物理領(lǐng)域的第1顆天基太陽(yáng)衛(wèi)星ASO-S已經(jīng)正式立項(xiàng)[146],主要載荷包括:全日冕矢量磁像儀、硬X射線/γ射線望遠(yuǎn)鏡、寬視場(chǎng)日冕儀和日冕成像儀.國(guó)際上正在研制的一批先進(jìn)地基望遠(yuǎn)鏡(如Daniel K Inouye太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡,DKIST)和空間衛(wèi)星(如Parker Solar Probe Plus,Solar Orbiter)上均搭載有太陽(yáng)磁場(chǎng)的觀測(cè)設(shè)備.總而言之,更精確的日冕磁場(chǎng)的測(cè)量和構(gòu)建可以:(1)提高我們對(duì)耀斑和日冕物質(zhì)拋射的觸發(fā)機(jī)制以及能量積累和釋放等問(wèn)題的認(rèn)知.研究電流螺度和磁場(chǎng)螺度的演化在理解耀斑能量積累和釋放的過(guò)程中起著非常重要的作用[147];(2)有助于更好地理解活動(dòng)區(qū)的穩(wěn)定性:為什么有些活動(dòng)區(qū)產(chǎn)生耀斑,而另外一些活動(dòng)區(qū)卻沒(méi)有耀斑產(chǎn)生?對(duì)耀斑頻發(fā)和無(wú)耀斑兩類(lèi)活動(dòng)區(qū)中的磁場(chǎng)自由能和磁拓?fù)涞臅r(shí)間演化的研究可以幫我們揭示耀斑能量?jī)?chǔ)存和釋放機(jī)制,也可能提供一個(gè)預(yù)測(cè)耀斑的工具[98];(3)加深我們對(duì)寧?kù)o日珥精細(xì)纖維結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的理解.