太阳耀斑发生前后磁通量绳的变化研究
太阳爆发活动是指太阳大气（日冕）中发生的爆发性现象，主要有太阳耀斑和日冕物质抛射（CME）两类。耀斑和CME并不总是同时发生，伴随CME的耀斑被称为爆发型耀斑，而没有CME的耀斑被称为束缚型耀斑。从物理上来讲，太阳爆发实际上就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。关于太阳爆发的物理机制仍然有许多问题不清楚，例如：爆发前日冕中具有怎样的磁结构？是什么机制触发了爆发？造成不同耀斑类型的关键因素是什么？
目前，关于太阳爆发机制的理论主要有磁场重联模型以及理想MHD模型。磁场重联模型认为触发爆发之前，日冕磁场具有很强的剪切位形，当磁场重联与剪切磁场的膨胀形成正反馈时，爆发被触发。但是，我们尚不清楚这种正反馈在什么条件下能建立，因此难以基于重联模型来预报爆发。理想MHD模型主要有两类：扭缠不稳定性模型（kink instability，简称KI）以及电流环不稳定性模型（torus instability，简称TI）。这两种模型都是基于磁通量绳（Magnetic Flux Ropes）结构提出的。所谓的磁通量绳，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，通常简称为磁绳，一般情况下，判断磁绳存在的标准为磁力线至少绕其轴一圈（近似为缠绕度| Tw |≥1）。理想MHD模型认为，在太阳爆发之前存在磁绳结构，在低层大气（光球）运动的缓慢驱动下，磁绳逐渐达到不稳定状态，由KI或TI触发爆发。控制KI和TI的两个参量分别为磁绳的扭缠度（|Tw|）以及磁绳背景场的衰减速度（n），当|Tw|达到一定的阈值时就会触发KI，同样地，只有当n达到一定的阈值才能触发TI。因此，相比于磁场重联模型，理想MHD不稳定性模型在预报方面具有比较明显的优势：我们可以通过日冕磁场外推方法获得磁绳的三维磁场信息，从而计算出|Tw|和n值，将其作为预报太阳爆发的参数。当然，要实现用|Tw|和n作为参数进行预报，必须确定|Tw|和n的阈值，即需要确定当这两个参数分别达到多大的数值时，耀斑过程会伴随CME的产生。以往有很多计算这两个参数阈值的理论工作，但是不同的研究给出的阈值有明显差别，例如|Tw|的范围为1.1~2，而n的范围为0.65~1.1。
为了更好地确定|Tw|和n的阈值，我们对2011至 2017年SDO卫星观测到的45个M3.9级以上的耀斑事件进行了研究，其中29个为爆发型耀斑，16个为束缚型耀斑。我们以观测到的光球矢量磁场为边界条件，利用CESE-MHD-NLFFF外推方法对所有耀斑事件前的磁场进行重构，发现90%的事件在耀斑爆发前具有磁绳结构；此外，分析KI和TI的两个控制参数，发现它们的阈值分别为|Tw|crit=2.0以及ncrit=1.3，因为90% |Tw|≥2.0的事件以及所有n≥1.3的事件都是爆发型耀斑事件（如图1所示）。
前面提到，一些类似的统计工作得到的KI和TI控制参数的阈值与我们的结果不尽相同；且在对一些事例进行更仔细的分析时，发现有个别的爆发型耀斑，即使在耀斑前存在磁绳，且磁绳的KI或TI控制参数超过了阈值，但是当爆发完成以后，磁绳仍然存在，且两个参数几乎没有变化，说明在此类事件中磁绳并没有参与爆发，而是其他机制触发了爆发。为了进一步验证两个参数阈值的可靠性，我们重构了这45个事件爆发后的磁场结构，并对它们进行了分析，发现70%的事件在耀斑之后仍存在磁绳。但是对比耀斑前后磁绳的|Tw|和n值，发现那些耀斑前|Tw|和n都小于各自阈值的事件，无论是爆发型耀斑还是束缚型耀斑，两个参量的变化都是随机的，没有规律可循；而那些至少有一个参量在耀斑前大于各自阈值的事件（这些事件中大部分为爆发型耀斑），在耀斑之后，两个参量都有减小，大部分事件中它们减小到了各自阈值之下（如图2所示）。这一结果进一步证明当|Tw|和n的值分别大于等于2.0和1.3的时候，磁绳很有可能因为KI或TI不稳定性而产生爆发，因此进一步确认了不稳定性的阈值。值得注意的是，我们所研究的事件中，还有50%左右的事件不满足KI或TI不稳定性条件，即有些事件中耀斑前没有磁绳存在，或者磁绳的|Tw|和n值远小于各自的阈值，对于这样的事件，我们需要进一步探索其他的爆发机制。
图1：对 45 个大型耀斑中存在的爆发前磁绳的最高扭缠度 Tw和背景场在磁绳轴顶点的衰减因子 n 的统计分布图。 (a)中爆发型耀斑用正方形表示，束缚型耀斑用三角形表示，其中绿色形状表示没有形成磁绳（最大缠绕度小于 1） 的事件。竖直虚线处|Tw| = 2，水平虚线处 n = 1.3，两条虚线将所有事件分成四个区间。 (b)和(c)表示不同区间内事件的柱状分布。
图2：耀斑爆发前后磁绳的最高扭缠度 |Tw|和背景场在磁绳轴顶点的衰减因子 n 的统计分布图。上图为所有耀斑前两个参数都小于阈值的事件，下图为耀斑前两个参数中至少有一个大于其阈值的事件。图中正方形表示爆发型耀斑事件，三角形表示束缚型耀斑事件；红色和蓝色分别表示耀斑前和耀斑后的数值。
文章：
1. Duan, A. Y., Jiang, C. W., He, W., Feng, X. S., Zou, P. and Cui, J. (2019), A Study of Pre-flare Solar Coronal Magnetic Fields: Magnetic Flux Ropes, ApJ, 884:73(16pp).
2. Duan, A. Y., Jiang, C. W., Zhou, Z. J., Feng, X. S. and Cui, J. (2021), Variation of Magnetic Flux Ropes through Major Solar Flares, ApJL, 907:L23(7pp).
