太阳活动区之间大尺度磁绳的结构和演化研究
太阳耀斑和日冕物质抛射（CME）等太阳爆发性活动是空间天气的源头，实现对太阳爆发的准确预报是空间天气预报的前提和基础。太阳爆发本质上是含有丰富自由能的日冕磁场系统因某种原因导致失衡，从而突发性地、剧烈释放磁能的过程，因此对日冕三维磁场结构及其演化的研究是关键。
到目前为止，日冕磁场还无法准确测量，只能通过磁场外推的方式获得。所谓的磁场外推，是指基于一定的数值模型，以测量所得的光球面磁场为边界条件，对日冕磁场进行重构的方法。在过去二十年间，研究者们发展出各种不同的外推模型，并利用这些模型对日冕磁场进行了大量的研究，其中有相当多的工作关注爆发之前存在于日冕中的磁通量绳结构（Magnetic flux rope，简称磁绳）。磁绳是一组磁力线围绕一根共同的轴充分扭缠起来组成的紧致磁结构，通常认为磁力线至少要绕其轴一圈（近似为缠绕度| Tw |≥1）。作为标准耀斑模型(CSHKP)中的关键结构，磁绳与太阳爆发有着紧密联系。很多研究太阳爆发触发机制的模型，例如磁绳灾变模型、扭缠不稳定性（Kink instability，简称KI）模型和电流环不稳定性（Torus instability，简称TI）模型等，都是基于磁绳这一特殊的磁结构提出的。这些模型假设爆发前日冕中必定存在磁绳，光球的缓慢演化使磁绳逐渐达到不稳定状态而触发爆发。近年来的很多研究也倾向于支持爆发前存在磁绳结构，例如X射线和极紫外波段的S形磁结构（Sigmoid）、稳定的大尺度暗条、极紫外热通道以及冕腔等结构都被认为是对爆发前日冕磁绳的间接观测。此外，在基于模型重构日冕磁场三维结构时，也常常能获得与这些观测特征吻合的磁绳结构。
以往的研究往往更关注位于太阳表面强磁场区域（即太阳活动区）内的磁绳，鲜少有人研究位于活动区之间的弱磁场区内的磁绳结构及其演化。统计表明，虽然大部分的太阳爆发源于活动区内部，但也有一些高级别的太阳爆发是在活动区之间的弱磁场区发生的，因此，为了加深我们对太阳爆发物理机制的了解，有必要对活动区间磁绳的结构和演化做细致的研究。
为此，我们详细研究了在活动区AR 11944和AR 11943之间一个X1.2级耀斑的磁场演化。该耀斑发生于2014年1月7日18:30左右，并伴随着一个高速（1800 km s-1）的CME。在耀斑发生的区域，SDO卫星的AIA仪器（在极紫外波段）以及地面太阳望远镜BBSO（在Hα波段）都观测到了一个明显的S型暗条通道（如图1所示）。曾经有不少学者对这个事件进行过分析，但遗憾的是他们都没能重构出与暗条相对应的磁绳。在本研究中，利用CESE-MHD-NLFFF外推模型，我们成功重构出了位于两个活动区之间的、在空间上与暗条位置高度重合的磁绳。我们进一步对磁绳的结构演化进行了连续追踪，发现该磁绳最初形成于1月6日，虽然其主体位于弱场区，但有一个足点位于AR 11944的强磁场内，磁绳的形成就是其足点所在处的黑子旋转以及两个活动区之间持续的磁场对消共同作用的结果。在形成后的30小时内，磁绳的扭缠度不断增加，最高时磁力线绕磁绳轴的圈数达到6圈多（| Tw | = 6.50），这应该是迄今为止研究过的扭缠度最高的磁绳（图2）。
之前的研究发现，当扭缠度达到一定阈值时（一般是| Tw | = 2），磁绳的KI将导致其爆发。但是，在我们的研究中，却没有确凿的证据表明磁绳与耀斑爆发有关。首先，AIA极紫外波段的观测表明与磁绳相关的暗条在耀斑期间并没有明显的爆发现象，也就是说耀斑发生以后暗条仍稳定存在；其次，我们的外推结果表明S型磁绳在耀斑以后几个小时内仍稳定存在，一直到1月8日才逐渐消失。所以，我们认为磁绳并没有参与此次爆发活动；磁绳的高扭缠度其实是由于磁绳本身非常长造成的，而其单位长度上的扭缠度并不大，因此可能无法产生有效的KI。然而，爆发过程使磁绳的背景磁场受到了强烈的扰动，从而导致磁绳在耀斑发生几个小时之后缓慢消失。我们的研究说明，即使在耀斑之前存在扭缠度非常高的磁绳，且此磁绳位于耀斑触发的位置，仍然不能轻率地认为是磁绳的扭缠不稳定性触发了爆发。爆发有可能是磁绳上方具有强剪切的背景场通过磁场重联触发的。因此，追踪磁绳的演化，并对比爆发前后磁绳和相关观测特征的变化，对分析爆发机制的研究具有重要的意义。
图1：SDO/HMI，AIA以及BBSO/Hα对研究区域的观测。最上面的图是对光球面径向磁场的观测；第二幅图为地面BBSO观测台站在Hα波段对暗条的观测；第三和第四图分别是AIA 171 Å和304 Å波段的观测。图中的白色箭头表示暗条和暗条通道所在的位置。
图2：磁绳的结构和演化过程（部分）。左边一列是组成磁绳的磁力线；中间一列为磁绳扭缠度|Tw| = 3的等值面，颜色表示高度z的范围，以角秒（或720 km）为单位；右边一列为磁凹陷点的位置，颜色代表高度z。
文章：Duan, A. Y., Jiang, C. W., Zou, P., Feng, X. S. and Cui J. (2021), Structure and Evolution of an Inter-Active Region Large-scale Magnetic Flux Rope, ApJ, 906:45 (15pp).
