近期，中国科学院紫金山天文台太阳活动的多波段观测研究团组通过分析遥感及实地测量数据，成功确认了2023年3月23日至24日意外发生的大地磁暴的太阳源头：一个低密度跨赤道磁绳的隐蔽爆发。这一发现展示了低密度跨赤道磁绳可通过“弱光磁爆发”产生大地磁暴，对提升地磁暴的预报能力至关重要，研究成果以“Unexpected Major Geomagnetic Storm Caused by Faint Eruption of a Solar Trans-Equatorial Flux Rope”为题于2024年10月24日发表在《自然•通讯》（Nature Communications）杂志上。
当太阳风中的能量迅速注入地球周围的空间时，地球磁层中会发生大规模的磁场扰动现象，这就是地磁暴 。地磁暴不仅可以让人们在更低的纬度上、更大的范围内欣赏到绚丽多彩的极光，还会对长距离输电网络和输油管道的稳定运行、卫星导航系统的精确定位、以及近地卫星的轨道维持造成威胁。因此，地磁暴的准确预报，对于一个日益依赖电力和信息的社会就显得至关重要。然而，许多地磁暴的太阳源头并不明确，这对它们的准确预报提出了挑战。这类具有模糊太阳源头的地磁暴，被人们称为“问题地磁暴”。寻找问题地磁暴的太阳源头，确定其在太阳上爆发时的磁场结构及典型观测特征，并为今后的预报提供线索，成为了太阳物理和空间天气研究中的重要课题。
2023年3月23-24日，地球发生了自2017年9月以来最强的地磁暴（图1）。然而，由于其模糊的太阳源头，该地磁暴并没有被遥感观测预测到，因此是研究“问题地磁暴”的一个绝佳的例子。研究人员分析了SDO、STEREO-A、SOHO、Solar Orbiter、Hinode、羲和号等卫星或探测器的遥感或实地探测数据，最终将产生地磁暴的日冕物质抛射（CME）的源头确定为太阳上一个低密度跨赤道磁绳的爆发。
图1：地磁暴发生期间的行星际太阳风参数与地磁指数。
研究人员注意到2023年3月19日在日面中心附近存在一片极紫外辐射较弱的跨赤道、纵向、长条形的区域（图2）。磁场重构显示，该区域对应一个跨赤道磁绳，由于其内部没有成形的暗条，因而是一个低密度磁绳。随后，磁绳东西两侧出现微弱的跨赤道双带增亮，还有微弱的日冕暗化，对应着磁绳爆发的过程。这一爆发缺少暗条抛射，且爆发本身十分缓慢，因而极其隐蔽，难以被预报人员注意到。爆发后的磁绳很快出现在了日冕仪的视野中（图3），因为其修长的形状、断续暗淡的前沿，磁绳对应的全晕CME并未被识别为一个整体——这是地磁暴未能被预测的重要原因。通过将观测到的CME利用渐变圆柱壳（GCS）模型进行拟合，研究人员确认了该CME实际上正直奔地球而来。
图2：跨赤道磁绳及其爆发在多个波段内的低日冕特征。
图3：被忽视的全晕CME在SOHO、STEREO-A两个视角下的初始传播过程。
研究人员进一步追踪了该CME的行星际传播过程。STEREO-A探测器上的日球层成像仪（HI1&2）观测到了该CME向地球传播的过程。特别地，Solar Orbiter在距离太阳约0.5倍日地距离处实地探测到了该行星际CME所携带的磁场，显示了一个与黄道面近乎垂直的磁绳结构，与地球附近探测到的行星际CME十分相似，而后者的南向磁场正是导致地磁暴的直接原因。由此，研究人员将这一由跨赤道磁绳隐蔽爆发导致的暗弱CME证认为本次“问题地磁暴”的源头。
最后，研究人员利用磁场重构得到的源区磁绳磁场，预测了磁绳传播到地球附近时的行星际磁场，并根据其南向分量，通过Burton方程预测了地磁暴的强度（图4）。计算结果显示，该磁场模型较好地还原了地磁暴发生时的近地行星际磁场，并重现了地磁指数下降的过程。这更加印证了地磁暴源区证认的正确性和源区磁场重构的可靠性。
图4：源区磁场重构结果及其分析、对近地行星际磁场以及地磁指数的预测、对此类爆发观测特征的总结。
本研究强调了低密度跨赤道磁绳可通过缓慢、隐蔽的爆发产生很强的“问题地磁暴”。研究人员将这种携带大量磁场的低密度结构的缓慢爆发称为“弱光磁爆发”，因为它们在极紫外等电磁波段中的爆发特征往往十分微弱，以致被人们忽视，然而其携带的磁场却足以导致很强的地磁暴。本次地磁暴发生在中国传统节日“龙抬头”期间，鉴于其在太阳物理和空间天气学研究中的意义，研究人员将其命名为“龙抬头事件”。龙抬头事件的观测特征，为今后的空间天气预报提供了关键的参考信息。
紫金山天文台博士研究生滕伟霖为论文第一作者，紫金山天文台研究员宿英娜、紫金山天文台研究员季海生为论文通讯作者，紫金山天文台副研究员张擎旻为共同作者。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、以及澳门基金会等项目的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53538-1