太阳爆发活动是空间灾害性天气的源头，一直是日地物理和空间天气学研究的重点对象。有两种不同类型的爆发现象，分别是耀斑和日冕物质抛射（CME），两者经常密切关联。对于CME，通常先会经历早期的脉冲式加速，随后速度达到几百至上千公里每秒，向外传播至日地行星际空间。

为解释CME的加速过程，前人提出了两种主要的加速机制，分别是磁绳结构的理想磁流体力学不稳定性以及有耗散的磁场重联过程。二者在爆发过程中往往强烈耦合，且常几乎同时发生。如，当磁绳不稳定性发生时，会牵拉背景磁拱而形成可发生快速磁重联的电流片结构。相应的，磁重联过程可导致背景磁通转移至磁绳中，导致磁绳喷发力增强、背景磁场束缚力减少，最终会加速不稳定性的发展和磁绳爆发。因此，从观测上很难判断二者对爆发早期脉冲式加速的相对贡献大小。

为回答这一问题，需针对真实的太阳爆发事件、采用数据驱动的磁流体力学模拟仿真，并通过量化不同能量形式，例如大尺度洛伦兹力所做的功和重联出流贡献的动能（称为“磁弹弓效应”）等，来阐明脉冲式加速的最主要贡献者。为此，基于太阳动力学天文台上日震与磁像仪获得的光球磁场数据，我们对发生于2011年8月4日一伴随CME的M9.3级耀斑事件开展模拟。主要模拟结果，如磁场的宏观形态（图1(a)-(f)）和准分界层（图1(g)-(i)），与大气成像组件304 Å（图1(a)-(c)）和1700 Å（图1(g)-(i)）的观测数据吻合很好，验证了模拟结果的可靠性。

图1：三个典型时刻（03:42, 03:52, 03:58UT）的模拟结果和观测图像的对比。

图2(a)-(f)完整展示了磁绳、电流片和重联点的三维演化。为量化磁重联向上出流对脉冲式加速的贡献，分别计算了电流片处预先储存的磁能、电流片上方区域重联向上出流的动能、爆发后电流片处剩余磁能及由电流片处注入的坡印廷能流大小（图2(g)- (h)）。发现前三个物理量随时间的演化非常相似，且数量级相同；电流片处爆发后剩余磁能远小于注入的能量，说明大部分注入能量已通过磁重联耗散。

图2：(a)-(f) 磁绳、电流片和重联点的三维演化。(g) 磁重联向上出流的动能（蓝），重联前储存的磁能（红）和重联后剩余的磁能（黑）。(h) 电流片注入的能量（红）和能量注入率（蓝）。

最后，估计了脉冲式加速阶段电流片上方“磁弹弓效应”转换的能量和作用在磁绳上的大尺度洛伦兹力所做的功，发现后者是前者的4.6倍。这表明，大尺度洛伦兹力在该爆发事件的脉冲式加速过程中起着主要作用。该工作对理解CME的早期脉冲式加速机理具有重要价值。

该工作主要由山东大学“太阳爆发及其对行星空间环境的影响” 攀登计划创新团队成员--前沿交叉科学青岛研究院空间天文物理融合中心研究人员（钟泽、陈耀）、南京大学（郭洋、丁明德）与德国马普太阳系所Thomas Wiegelmann合作完成，研究结果已被《The Astrophysical Journal Letters》接收发表，将于近期刊出。该研究受到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目和中国博士后科学基金会等的资助。

论文链接：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2023arXiv230314050Z/abstract

作者：钟泽