太陽活動主宰著日地空間環境的變化，是空間天氣產生的源頭。耀斑、暗條爆發和日冕物質拋射是最劇烈的太陽爆發性活動現象，這些活動不僅能夠引發多個波段的強電磁輻射，而且會將大量的等離子體團和磁通量拋射到行星際空間。當太陽爆發產生的電磁輻射和日冕物質傳播到近地空間環境時，將引起災害性空間天氣，對人類的生產生活造成嚴重的影響。目前的研究認為，太陽爆發活動主要是由太陽大氣中的磁繩爆發引起的。因此，對于磁繩爆發問題的研究，對預測太陽爆發、進而實現空間天氣準確、定量預報具有十分重要的意義。近年來，我校大氣科學學院空間天氣研究人員對太陽大氣磁繩的形成、演化和穩定性等問題做了一系列的研究，相關研究成果發表在空間物理領域知名期刊The Astrophysical Journal和The Astrophysical Journal Letters上。

圖1：浮現活動區中磁繩的形成過程

以往研究認為，太陽大氣中磁繩的形成機制有兩種：一種為從太陽內部整體浮現；另一種是在太陽大氣中直接形成。大氣科學學院劉麗娟副研究員及合作者通過研究一個耀斑以及日冕物質拋射頻發的浮現活動區（NOAA編號12192）中磁繩的演化，發現即使在活動區浮現初期，其中的磁繩也不是從太陽內部整體浮現的，而是通過屬于不同偶極且極性相反的磁極的碰撞所引發的磁對消和剪切形成的，碰撞由不同偶極在浮現中的自然分離引起。這一發現揭示了磁繩在太陽大氣中的形成也由太陽內部磁通的浮現驅動。

圖2：兩類束縛耀斑中耀斑后環的傾斜角分布

盡管傳統模型認為耀斑和日冕物質拋射都是在磁繩爆發時產生的，但實際觀測中二者卻不是一一對應的。伴隨日冕物質拋射的耀斑被稱為爆發型耀斑，而無日冕物質拋射的耀斑被稱為束縛型耀斑。劉麗娟等通過研究2011-2017年間發生在太陽中心附近、M5.0級以上的束縛耀斑，發現這種耀斑可以細分為兩類，一種是由磁繩爆發引起，但磁繩被上方強磁場束縛，沒有成功傳播出去；另一種本身并無磁繩爆發伴隨，而是由剪切磁場之間的磁重聯引起。這一結果是對傳統爆發模型的補充。

圖3：衰減因子和磁力線纏繞度分布圖

為了進一步理解導致爆發型和束縛型這兩種不同類型耀斑的關鍵因素，大氣科學學院段愛英副教授及合作者對2011年至2017年期間所有發生在太陽中心附近的M5.0級以上的耀斑進行了研究，利用磁場外推發現90%的事件在耀斑發生前存在磁繩結構，并且磁繩的三維結構比理論模型復雜得多。進一步的研究發現，當磁繩的torus不穩定性參數（即衰減因子）大于1.3或者kink不穩定性參數（即磁力線纏繞度）大于2時，90%以上的事件是爆發型耀斑；而且在所有事件中，利用以上兩個參數可以成功判斷70%耀斑事件的類型。因此，這兩個參數及其閾值可以為預報耀斑是否爆發提供重要參考。

圖4：不同視角對同一暗條爆發的觀測，可以看出暗條爆發過程中的旋轉

大氣科學學院周振軍副研究員及合作者通過分析2010年7月至2013年2月的16個失敗太陽暗條爆發的磁場和三維爆發形態，給出了控制磁繩爆發的關鍵參量，除了經典的衰減因子以外，暗條頂部的旋轉也是其中的一個重要影響因素。通過構建衰減因子和旋轉角度的相空間分布，他們發現達到或超過衰減因子之后，所有的爆發都具有強的旋轉（50°到130°）。這種旋轉可能引發內部或者外部的磁場重聯，進而破壞磁繩的結構，并最終導致失敗爆發。這一成果說明磁場重聯在決定磁繩是否爆發中起到了重要作用，突破了原有的單一控制因素決定磁繩爆發的理論。

相關論文：

1) Lijuan Liu*, Xin Cheng, et al. (2019) Formation of a Magnetic Flux Rope in the Early Emergence Phase of NOAA Active Region 12673, accepted by Astrophysical Journal, https://arxiv.org/abs/1908.06360

2) Ting Li*, Lijuan Liu*, et al. (2019) Two Types of Confined Solar Flares, The Astrophysical Journal, 881, 151, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab3121/meta

3) Aiying Duan*, Chaowei Jiang*, et al. (2019) A Study of Pre-Flare Solar Coronal Magnetic Fields: Magnetic Flux Ropes （2019），accepted by Astrophysical Journal, https://arxiv.org/abs/1908.08643

4)Zhou, Z., Cheng, X., Zhang, J., Wang, Y., Wang, D., Liu, L., ... & Cui, J. (2019). Why Do Torus-unstable Solar Filaments Experience Failed Eruptions?. The Astrophysical Journal Letters, 877(2), L28. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab21cb

5)Zhou, Z., Cheng, X., Liu, L., Dai, Y., Wang, Y., & Cui, J. (2019). Extreme-ultraviolet Late Phase Caused by Magnetic Reconnection over Quadrupolar Magnetic Configuration in a Solar Flare. The Astrophysical Journal, 878(1), 46. https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab1d5c/meta