中国科学院揭示特大地磁暴形成原因与机制

“夸父一号”重大科学发现：首次揭示2024年10月特大地磁暴的“双引擎”驱动机制

来源：环球网

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【环球网科技综合报道】5月1日消息，太阳一次剧烈的“喷嚏”——日冕物质抛射，如何引发地球磁场的强烈“高烧”？其背后精细的物理过程一直是空间天气研究的核心难题。近日，一项发表于国际权威期刊《天体物理学杂志快报》的研究，成功揭开了这一谜团。中国科学院国家空间科学中心、紫金山天文台、国家天文台等机构联合团队，依托我国首颗综合性太阳探测卫星“夸父一号”的独家利器——莱曼阿尔法日冕仪，并结合多源遥感与原位探测数据，首次清晰证实：2024年10月那场特大地磁暴，是由暗条爆发与活动区日冕物质抛射（CME）感应爆发并相互作用的“双引擎”共同驱动的。

事件始于2024年10月9日世界时01:56。太阳活动区AR 13848爆发了一次X1.8级大耀斑，随之引发了强烈的地磁扰动和第25太阳活动周迄今最强的太阳质子事件，迅速成为全球空间天气领域的关注焦点。初期，传统自动识别程序将其判定为一次单一的、全晕状日冕物质抛射。然而，后续来自不同位置的空间探测器获取的原位数据，却显示出明显的CME相互作用特征，这与“单一CME”的初步结论相矛盾。因此，精确解析爆发源区的真实CME结构，成为破解此次特大地磁暴成因的关键突破口。

在此关键时刻，“夸父一号”卫星搭载的莱曼阿尔法日冕仪发挥了不可替代的作用。它有效填补了极紫外成像与常规白光日冕仪之间的观测空白，成功捕捉到了两次独立CME事件从起源到演化的完整过程，为“双CME”结构的存在提供了无可辩驳的直接成像证据。研究团队进一步结合太阳轨道飞行器（Solar Orbiter）的全日成像仪观测数据发现，在耀斑爆发之前，一条横跨活动区的大尺度暗条已经发生磁重联并开始缓慢抬升。关键的是，这一过程与活动区冕环的扩张在空间上相互独立，这明确证实：它们分属两个不同的爆发源，并非同一事件。

为进行量化分析，研究采用GCS（通量绳模型）对这两个CME分别进行三维拟合，结果显示二者在观测视场中几乎完全交叠。考虑到CME在早期传播中的相互作用会显著改变其宏观形态，团队又创新性地采用球形激波拟合法，反演出了两者共同驱动的激波面，并估算出该激波的线性传播速度高达约每秒1730公里，显示了极强的驱动能力。

那么，在真实的行星际空间中，这种相互作用如何体现？来自两颗位于不同日心经纬度的卫星（如Wind和ACE等）的原位测量数据给出了答案。两颗卫星均记录到前方CME的磁场出现显著增强，这完全符合相互作用区磁场被压缩的物理特征。一个更具启示性的对比出现了：其中一颗卫星探测到了较强的南向磁场分量（Bz负值），这与地磁暴环电流指数（Dst指数）的急剧下降直接相关；而另一颗卫星虽测到更强的总磁场强度，但因缺乏关键的南向分量，预估其引发的地磁暴强度仅约-100 nT。这一鲜明对比揭示了一个重要事实：即使中等程度的观测视角偏离，也足以导致对地磁效应评估产生显著不确定性，这对未来空间天气事件的精准预报提出了更高要求。

深入分析表明，后方CME在两个观测点的手性（螺旋方向）与磁轴指向，均与其源区——活动区CME的特征保持一致。而前方CME的磁轴则与暗条源区存在较大偏差，这种偏差可能与暗条在进入行星际空间后发生的扭折不稳定性，或受到后方快速CME的挤压作用有关。与此同时，相关的磁流体力学数值模拟也印证，两个CME相互作用后，其磁场连通性会变得异常复杂，极大地增强了空间天气影响的不可预测性。

总而言之，这项研究如同进行了一场精密的“太空侦探”，成功重构了2024年10月特大地磁暴的双CME源区结构及其复杂的行星际相互作用全过程。该成果不仅为科学界理解极端空间天气事件的触发机制提供了全新的物理图像，更重要的是，为未来提升重大地磁暴事件的预报准确性和预警能力，贡献了至关重要的观测约束与理论依据。（青云）