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开云手机版:空间科学攀登团队在日冕物质抛射的物质来源、加热机制及其与耀斑的关联研究方面取得系列进展

发布日期:2023年10月09日 17:01 点击次数:

[本站讯]近日,空间科学攀登团队太阳大气物理与探测课题组在日冕物质抛射(CMEs)的物质来源、加热机制及CMEs与耀斑的关联研究领域取得新进展。成果以“The contribution and FIP bias of three types of materials inside ICMEs associated with different flare intensities”为题被美国天文学会天体物理学研究期刊(The Astrophysical Journal)接收发表。课题组付辉副教授为第一作者和通讯作者,课题组成员夏利东、黄正化、戚由倩和博士研究生石新正为该项研究合作者。论文匿名评审专家在评审意见中建议我们在该文中将课题组开展的系列前序工作进行系统的整理和总结,认为上述工作对ICMEs物质来源、等离子体性质及其与耀斑的关联开展了有吸引力和有价值(interesting and useful)的研究。

CMEs和耀斑是太阳上发生的最剧烈的能量释放过程,他们之间的关联研究是太阳物理和恒星物理的重要课题,同时在空间天气学应用领域也有重要价值。对行星际日冕物质抛射(ICMEs)的物质来源和产生机制开展研究可以增进对CME和耀斑之间关联的认识。山东大学空间科学攀登团队太阳大气物理与探测课题组从物质来源和产生机制的视角,对ICMEs内部电荷态、氦元素丰度、FIP bias效应与其源区活动开展了系统的个例分析和统计研究。近三年来,相关成果共在国际权威期刊发表专业论文四篇,其中The Astrophysical Journal Letter一篇,The Astrophysical Journal三篇。

图1:磁绳足跟色球蒸发效应加热的高温等离子体产生和注入磁绳结构示意图(取自Zhai, Fu et al. 2022)。

Fu et al. (2020)直接观测到来自色球,被色球蒸发效应加热的等离子体在磁绳足跟被加热,并注入到CME内部的整个过程。该个例观测研究为ICMEs内部高温物质来自色球蒸发效应提供了观测上的证据。上述CME高温物质加热和供给方式可以合理解释ICMEs内部氦元素丰度为何如此之高,这一困扰了人们近半个世纪的问题。

图2:伴随和不伴随耀斑近地ICMEs的发生率在太阳活动第23周和24周对比(取自Shi, Fu et al. 2022)。

为了评估色球蒸发加热的高温物质对ICMEs的贡献是否重要,其与直接被日冕中的磁重联直接加热的高温物质的相对比例如何?Zhai, Fu et al. (2022)按照源区是否伴随耀斑将ICMEs分成两类,发现两类ICMEs局地性质存在显著差异。作者根据统计结果提出了依据局地探测性质推断ICMEs内部物质来源和产生机制的判据。研究结果表明,ICMEs内部有超过一半的高温物质来自色球蒸发效应。上述统计结果对标准的flare-CME模型中,ICMEs内部高温物质来自磁场重联直接加热的观点提供了补充和修正。

图3:ICMEs内部物质来源随耀斑等级的变化特征(取自Fu et al. 2023)。

根据上述统计结果,Shi, Fu et al. (2022)对黑子数存在显著差异的太阳活动第23和24周两类ICMEs的性质和发生率进行了系统的分析。研究结果表明,太阳活动周强度调制的主要是与耀斑有关的ICMEs的发生率,两类ICMEs的速度、电荷态、氦元素丰度、FIP bias都存在显著差异,每个CME的爆发可能都与磁绳有关。

图4:ICMEs内部来源和加热机制不同的三类等离子体FIP bias效应对比及它们随耀斑等级的变化(取自Fu et al. 2023)。

为了分析ICMEs内部物质来源及其性质对耀斑强度的依赖,Fu et al. (2023)分析了ICMEs内部来源和产生机制不同的三类物质的贡献及它们的性质随耀斑强度的演化特征。分析结果表明,近地ICMEs速度和尺度均随着耀斑增强而变大,ICMEs内部不同来源和产生机制的三类物质的占比和性质均随着耀斑强度而变化。来自色球蒸发的等离子体的FIP bias显著高于其他物质。对于伴随强耀斑的ICMEs其内部大约有2/3以上的等离子体来自色球蒸发效应。该工作可以合理的解释ICMEs内部FIP bias为何显著高于背景太阳风,这一长期就被发现的观测特征。也意味着伴随着强耀斑的ICMEs会对行星际空间环境造成更加重大的影响。

上述系列工作的第一和通讯作者单位均为山东大学,主要合作者来自英国卢瑟福阿普顿实验室和德国马克斯-普朗克研究所。相关结果发现了ICMEs内部高温物质来源的新途径,对已有的标准flare-CME模型提供了补充,给出了ICMEs内部物质来源和性质对源区伴随耀斑强度的依赖。解释了ICMEs内部氦元素丰度和FIP bias效应为何远高于背景太阳风,这一困扰人们近半个世纪的问题。加深了对CMEs产生机制,以及CMEs与耀斑之间关联等重要问题的理解。感谢国家自然科学基金天文联合、面上及重点等项目对该系列研究的资助。

相关链接:

1.The High Helium Abundance and Charge States of the Interplanetary CME and Its Material Source on the Sun

2.Charge States, Helium Abundance, and FIP Bias of the Interplanetary CMEs Classified by Flares and Hot Channels

3.The Solar Cycle Dependence of In Situ Properties of Two Types of Interplanetary CMEs during 1999–2020

4.The contribution and FIP bias of three types of materials inside ICMEs associated with different flare intensities


【供稿单位:威海校区宣传部    作者:付辉    编辑:新闻网工作室    责任编辑:屈一宁 蒋晓涵  】

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