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文 | 老张史论
编辑 | 老张史论
引言太阳耀斑和日冕物质抛射与磁场连接的快速变化有关，并且是由太阳大气中电流的部分耗散驱动的，一个重要而未解答的问题是这些电流，是由先前的大气磁通过表面等离子体流动诱导产生的，还是与来自太阳对流层内部的磁通的出现相关？
通过应用最先进的非线性自由力场（NLFFF）模型来分析最近发射的日珥卫星在NOAA AR 10930上观测到的分辨率最高、质量最好的矢量磁场数据，该数据与一次强烈的X3.4级耀斑同时发生。
最佳拟合模型场与观测到的日冕结构有相当好的一致性，强电流与磁通一起在耀斑之前出现，这些电流存在于一系列细小的磁线束中，电流和磁力线的整体模式与大尺度扭曲磁通绳的拓扑结构相容，与日冕电流相关的能量变化约为10^32埃尔格，足以驱动耀斑及其相关的日冕物质抛射。
太阳耀斑太阳耀斑和日冕物质抛射从太阳外层大气中的电流中获得能量，在重大耀斑中涉及的强电流往往在太阳对流层内产生后，嵌入在磁通中而不是通过表面等离子体流动引起现有磁通的位移而诱导产生。
除了耀斑和喷发事件之外，太阳日冕中的磁场在响应表面磁场的变化时会缓慢演化，这意味着在这种低β环境中，电磁洛伦兹力相对较弱，并且存在的任何电流必须基本上与磁场平行或反平行，只有在磁场可忽略的地方。
确定日冕场及其嵌入的电流问题导致了从观测到的边界条件中重建三维磁场的问题，而无需处理等离子体对该场的影响。需要将测量的偏振信号反演以形成一个矢量磁图，这需要对通过太阳大气中的偏振光进行辐射传输的详细模型。
该过程涉及解决与视线垂直的分量中的固有180°歧义，这是由偏振特性的退化导致的。由于穿透光球的电流是通过紧凑的磁通管或潜在的太阳黑子内的细小结构传输的。
在这个相对平静的时期，NOAA AR 10930从2006年12月8日到2006年12月13日期间仅出现了B级和C级的耀斑，在UTC时间2:40，一次X3.4级的耀斑结束了这个相对平静的时期。
在耀斑发生时，该区域位于太阳盘面中心的23度西经和5度南纬，非常适合进行矢量磁场观测。观察耀斑最早阶段，可以在02:04 UT的时候看到色球中的最早明亮区域出现在两个相反磁场极性的聚集区域上。
十二分钟后，在相反磁场极性上出现了三个耀斑带，这样的耀斑带通常被解释为高能耀斑粒子撞击低层大气的位置，从而确定了这些粒子在耀斑能量释放过程中加速的磁场线的光球端点。
Hinode的X射线望远镜（XRT）观测到了第一个色球，明亮区域上的早期明亮的软X射线特征，东西方向的明亮X射线脊线，跨越了北部早期耀斑带附近位置B，和南部早期耀斑带附近位置D的新出现的磁通束的末端。
覆盖在上方的较高的弧形回路，直到大约2:30 UT才出现明亮的带状结构，其过剩能量似乎在第一个脉冲能量转换之后约25分钟才开始转化为粒子动能。
在X3.4级耀斑发生前的几天，NOAA AR 10930的主要变化包括较小的南方黑子相对于较大的北方黑子向东强烈运动。从2006年12月10日凌晨到2006年12月14日的后半段，两个黑子之间以及其西部地区的磁通束不断增长。
在此期间朝东运动的速度很快，而两种磁极之间出现了多个脊线，甚至形成了干扰区之间的连接，使用Hinode窄带滤波成像仪（NFI）拍摄的四个磁图快照。
请注意，NFI信号在黑子本斑区内呈高度非线性，由于非常强的磁场导致信号减弱至零，基于光谱的矢量磁谱仪（SP）数据中不存在这种情况，将其作为NLFFF方法的输入。
该影片以两分钟的间隔拍摄磁图，而在耀斑之前和之后的SP磁图之间有8小时的间隔，显示了耀斑开始前每4小时的黑子周围的一个小区域。
这些面板暗示随时间变化相对较小，整体外观变化很小，使用底部的两个面板来显示早期耀斑带的详细位置和模拟电流。
但事实上，磁场非常规动态，在黑子之间的区域以及黑子相邻的半晕区域，连续的脊线和磁通束集中区形成和消失。这一演变过程可以在电子版的八天影片中观看，每个磁图之间间隔两分钟。
在黑子之间新出现的磁场的演化特点是频繁出现反极性的脊线，这些脊线要么相邻，沿其长度偏移，要么通过一条较弱的顺视场隔开。这些几乎平行的细丝是新出现的磁通束的特征标志，它们沿着其核心携带电流。
这样的细丝电流使得磁场围绕着磁通绳的轴线螺旋旋转，因此当这个磁通绳突破太阳表面时，在绳轴两侧的两个几乎平行的脊线中观察到磁场螺旋指向上方和下方。
除了滤光片序列外，SOT SP 还获取了 X3.4 闪焰前后的 NOAA AR 10930 中心区域的地图，一张预闪焰地图是在2006年12月12日20:30至21:15之间获取的，而随后的事后闪焰地图是在次日3:40至4:40之间获取的。
非线性无力场对观测到的光球矢量磁场数据进行预处理的额外步骤，显著改善了最终的NLFFF外推结果与模型参考场之间的一致性，这一结果可能源于预处理后的光球场，与相应的色球场是良好的近似，而色球场的洛伦兹力要弱得多。
使用这些算法，得到了14个不同的模型场，使用两种不同的指标来确定最符合观测到的日冕的模型，并且还有一种指标用于确定最内部一致的力自由场，所有这些指标都将同一模型场标识为“最佳”。
通过比较TRACE和Hinode/XRT图像与计算出的场线，并评估对比度来主观地评估拟合度，用于评估场的五个特征标记如下：斜弧在两个太阳黑子之间，南黑子周围的东弧，南黑子西侧几乎水平的场，覆盖该水平场上方的弧，北黑子西北部新出现的磁通附近没有剪切。
按照得到的指标Qm排序显示了模型场，对于每个好的或不好的对应关系，指标得到 1或-1的奖励或惩罚，而模糊的对应关系则不计入Qm的值。只有应用于经过预处理的边界（包括空间平滑）的Wheatland正场解（Whþpp）成功地再现了这五个特征。
客观的拟合度度量是基于，在模型中找到最匹配Hinode/XRT和TRACE日冕图像中一组，已识别的日冕环的场线，并计算在投影上的偏差。
对NOAA AR 10930的日冕观测使用了Hinode的XRT和TRACE进行，Hinode的XRT使用其薄-Be/开放滤光片设置，TRACE使用其195埃带通滤光片，均为100像素，为了提高信噪比，使用一组曝光的几何平均值，用于环迹的追踪。
将这些环迹与每个模型场的100条场线进行比较，这些场线的起点沿着每条追踪环的中点在模拟体积内的视线方向上分布。对于每条场线，对应的环迹与在天空平面投影的场线之间所包含的面积Ai。
这个面积由连接追踪环的端点与投影场线上最近点的线段所界定，面积Ai最小的场线被选为每个追踪环的最佳匹配场线。对于追踪环的一组场线，具有总面积最小值P_i min(Ai)的模型场被确定为最佳模型。
结论将非线性力-自由场（NLFFF）建模应用于在主要耀斑和日冕物质抛射发生时观测到的NOAA AR 10930，得出了最佳匹配的Whþ pp模型NLFF场，在耀斑发生之前，最强的电流在主要斑团之间流动。
这些电流通过电流丝连接笔umbra，电流丝高度为h 12 Mm，位于出现场之间的低空电流丝上方，高度为h 6 Mm，不出所料，多余的能量主要与这些电流相关。
主要的电流丝连接分开较远的足点，并贯穿出现场之间的区域，连接了南侧斑点旁边的出现和出现中的磁通到北侧斑点的umbra。在最佳匹配的Whþ pp模型中，低空、紧凑的电流携带出现磁通，位于包含垂直场相反极性脊的主电流拱顶下方。
这是X3.4耀斑释放能量开始冲击阶段的地点，耀斑似乎从前几天出现的大部分磁通系统中获取能量，在耀斑之后，相对高拱顶电流大大减弱，而低空电流丝完全消失。
耀斑/日冕物质抛射解释为：从低于光球下方出现的电流携带磁通中的灾难性能量耗尽，在Hinode / NFI磁图序列中观察到的具有许多混合极性脊的复杂场演变表明，磁通可能是相互缠绕的一束较小的电流丝或具有内部结构（包括场强度和电流密度）的单一磁通。
两个SOT SP矢量磁图之间的8小时间隔对于解决这个问题来说太长了，有了Whþ pp NLFFF模型后，对于爆发前磁场的拓扑结构能够做出哪些说法呢？
场线图可以解释为在一个几乎垂直于电弧的基本势场下，电弧之间存在一个低海拔剪切电弧，当考虑到南侧的正极太阳黑子在NFI动画中的逆时针旋转时，可以推断磁场整体上的扭转，这在TRACE对一些旋转太阳黑子上的日冕观测中也被观察到。
对于这样的磁流束存在着几种不同的概念模型，其中之一是“内含”磁流束模型，其具有强烈的内部轴向磁场，由电流层与外部磁场分隔开。“回路”磁流束模型，它们由沿轴向存在（厚或薄）净电流的磁场线组成。
这些磁场线围绕电流螺旋，还有“扭转”磁流束，它们可以从这样的形式出现，或者从光球旋转运动中形成。这些模型应该显示出一个大尺度的双极直流模式，周围有外部回流电流，这样的模式的存在仍然存在争议。
这个实验展示了NLFFF外推过程中的一些问题，观测向量场的“预处理”明显改善了大多数NLFF场模型的质量，预处理是减小光球中洛伦兹力影响的一种方式，应进一步研究如何处理这些力的最佳方法。
虽然给出了相同的边界条件，但仅有一个基于预处理边界条件的七个模型场，与观测到的日冕场相符合，根据有限的一组关键特征的目视检查结果。
这揭示了模型实施和边界条件以及初始条件中的细节敏感性，这个问题的一个重要组成部分是与线视场分量垂直的180度模糊度的解决，需要对从观测到最终NLFF场模型之间的差异进行系统研究，并对它们的相对优点和问题有一个全面的了解，以确定最成功的策略。
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