原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2025 年第16 期 《2024年5月太陽活動區(qū) 13664 磁場演化及其極端空間天氣事件研究綜述》

2024年5月10—11日，太陽活動區(qū)（AR）13664 爆發(fā)了自卡林頓事件（1859 年）以來最強(qiáng)的太陽風(fēng)暴事件之一，引發(fā)了 G5 級地磁暴和全球范圍的極光現(xiàn)象。AR13664 呈現(xiàn)致密復(fù)雜的磁場分布，伴隨快速磁場演化與高活動性。由此 AR 13664 是否代表強(qiáng)烈太陽爆發(fā)的能量積累和釋放的典型過程，使其成為研究磁場復(fù)雜度、能量存儲與釋放機(jī)制、強(qiáng)烈太陽爆發(fā)成因的理想對象。《科技導(dǎo)報(bào)》邀請中國科學(xué)院國家天文臺太陽物理研究部首席研究員周桂萍等撰文，綜述了目前相關(guān)研究成果，聚焦基于多波段觀測、磁流體力學(xué)建模和非線性無力場外推，揭示 AR 13664 從磁通量浮現(xiàn)到近地空間響應(yīng)的全鏈條物理過程。這些研究系統(tǒng)描繪了極端空間天氣事件從太陽源頭到近地空間的全鏈條演化過程，為太陽爆發(fā)的觸發(fā)、能量積累釋放，以及傳播機(jī)制提供了創(chuàng)新性理解，為建立更加準(zhǔn)確和可預(yù)報(bào)的空間天氣模型提供了重要的研究基礎(chǔ)。

太陽活動區(qū)（AR）是太陽表面磁場高度集中、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的強(qiáng)磁場載體。AR 通常表現(xiàn)為黑子群的聚集，其磁場的演化、不穩(wěn)定性及其與鄰近磁場的相互作用被認(rèn)為是太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射（CME）和高能粒子的驅(qū)動力。AR 是太陽大氣中磁能積累與釋放的主要場所，也是影響太陽?地球空間天氣的關(guān)鍵區(qū)域，其中爆發(fā)活動可對地球磁層、電離層等近地空間環(huán)境，以及衛(wèi)星通信、導(dǎo)航系統(tǒng)乃至地面電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著擾動。因此，研究太陽活動區(qū)的結(jié)構(gòu)、演化及其磁場性質(zhì)，對于理解太陽爆發(fā)現(xiàn)象、評估地球空間天氣風(fēng)險(xiǎn)具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

太陽爆發(fā)事件（耀斑、CME）的主要源區(qū)與太陽活動區(qū)緊密相關(guān)，其磁場演化及拓?fù)鋸?fù)雜性直接決定極端空間天氣的劇烈程度。1859 年的卡林頓事件是歷史上記錄的最強(qiáng)地磁暴（地磁擾動指數(shù)值（Dst）≈?1760 nT）。研究表明，約 40% 的強(qiáng)耀斑事件僅由約0.5% 的超級活動區(qū)（SAR）產(chǎn)生。具有復(fù)雜磁結(jié)構(gòu)的超級活動區(qū)則更易產(chǎn)生強(qiáng)耀斑。然而，這類活動區(qū)其磁能存儲位置、釋放觸發(fā)機(jī)制并不明晰。

活動區(qū)的形成源于太陽內(nèi)部磁通量的浮現(xiàn)過程。新生的磁通量穿過光球進(jìn)入日冕，逐漸積累磁自由能。在復(fù)雜磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，磁重聯(lián)等機(jī)制會觸發(fā)快速的能量釋放。活動區(qū)內(nèi)黑子的磁場極性分布是評估其爆發(fā)潛力的關(guān)鍵依據(jù)。

按照 Hale 分類方法，依據(jù)其磁極性和復(fù)雜程度，黑子可分為簡單的 α 型（單極性）、β 型（雙極性）、δ 型（單個(gè)半影中極性相反的本影），γ 型（正負(fù)極性分布非常不規(guī)則，無法歸類為雙極黑子群）到復(fù)雜的組合形態(tài)，如 βγ 型和 βγδ 型等。特別是 βγδ 型黑子所處的活動區(qū)，其極性反轉(zhuǎn)線（PIL）附近往往伴隨劇烈剪切運(yùn)動和大尺度電流系統(tǒng)，是最容易產(chǎn)生 X 級耀斑和高速 CME 的結(jié)構(gòu)類型?；顒訁^(qū)的磁場物理參數(shù)，如 TOTUSJH（總無符號電流螺度）、TOTPOT（光球總磁能密度）R_VALUE（極性反轉(zhuǎn)線周邊磁通量強(qiáng)度）等，可有效反映非勢能積累程度。研究發(fā)現(xiàn)，這些參數(shù)與耀斑發(fā)生具有高度相關(guān)性，是現(xiàn)代爆發(fā)預(yù)測中重要的量化指標(biāo)。

2024年5月2—14日，太陽活動區(qū) AR 13664 在可見日面發(fā)展為近 10 年來最活躍的大型活動區(qū)之一，形態(tài)與 1859 年卡林頓事件的致災(zāi)活動區(qū)高度相似，表現(xiàn)出顯著爆發(fā)性，兩者對比見表 1。AR13664 產(chǎn)生超 100 個(gè)黑子、呈現(xiàn) βγδ 型復(fù)雜磁場，無符號徑向磁通量從~3.3×1022 Mx 增至 13.5×1022 Mx。

該活動區(qū)在整個(gè)生命周期中，共產(chǎn)生 12 次 X 級耀斑（含 1 次 X8.7 耀斑）和 52 次 M 級耀斑，其中 2 次X 級 耀 斑 （5月9日 、10日 ）觸 發(fā) 了 G5 級 地 磁 暴（Kp=9），產(chǎn)生至少 19 個(gè) CME（含 10 個(gè)暈狀結(jié)構(gòu)），其中 4 個(gè)在傳播過程中先后堆疊在一起形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致行星際磁場 z 軸分量（IMF Bz）持續(xù)南向偏轉(zhuǎn)，并引發(fā) 2003 年以來最強(qiáng)的地磁暴（2024年5月11日 02:00 UT，Dst=?412 nT），恢復(fù)期超 72 h。CME引起2024年5月11日 02:00 UT 中子計(jì)數(shù)減少 15%，以及福布斯（Forbush）下降，根據(jù)地球同步環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星 GOES?16 記錄，>500 MeV 質(zhì)子通量增加了 3 倍，被確認(rèn)為第 74 次地面增強(qiáng)（GLE）事件。

表 1 AR 13664 與卡林頓事件對比

AR 13664 磁場演化速度之快、能量聚集程度之高、爆發(fā)活性之強(qiáng)，使其成為研究太陽極端活動的理想樣本，也為理解卡林頓級事件的成因提供了重要線索。因此，AR 13664 不僅在太陽物理學(xué)研究中具有重要的科學(xué)價(jià)值，也為空間天氣預(yù)警、磁暴預(yù)測和災(zāi)害防護(hù)策略提供了獨(dú)一無二的實(shí)證樣本。

現(xiàn)代多源數(shù)據(jù)（如磁場探測）極紫外成像、射電頻譜、地磁監(jiān)測等）和數(shù)值模型（非線性無力場外推、磁拓?fù)浞治觯?，為開展磁場演化規(guī)律、爆發(fā)觸發(fā)機(jī)制及其空間天氣效應(yīng)的研究提供了機(jī)會。本文綜合已有研究成果，對其磁結(jié)構(gòu)、演化過程、爆發(fā)活動與近地空間效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)綜述，以期理解與 AR 13664 類似的復(fù)雜活動區(qū)演化爆發(fā)規(guī)律和太陽?地球系統(tǒng)極端響應(yīng)機(jī)制，為建立極端事件準(zhǔn)確預(yù)警預(yù)報(bào)模型提供重要研究基礎(chǔ)。

1 AR 13664 歷史地位

AR 13664 在多項(xiàng)物理參數(shù)上均表現(xiàn)出高度極端性，被確認(rèn)為第 25 太陽活動周中迄今唯一超級活動區(qū)。其黑子面積、非勢能參數(shù)、磁通量與浮現(xiàn)速率均位于歷史前列。在 2024年5月9日，該活動區(qū)的最大黑子面積達(dá)到 3494 μHem（1 μHem≈304 萬 km2；百萬分之一太陽半球，MSH），位列黑子面積歷史排名前 0.05%（英國皇家格林尼治天文臺（RGO）和美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）1874—2024 年聯(lián)合記錄）。

活動區(qū)結(jié)構(gòu)早期為 β 型，隨后迅速演化為高度混雜的 βγδ 型，極性反轉(zhuǎn)線長度迅速增長，表明其具備復(fù)雜的磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和強(qiáng)爆發(fā)潛力。通過 SDO/HMI（太陽動力學(xué)天文臺的日震磁像儀）磁圖數(shù)據(jù)計(jì)算，AR 13664 的總無符號視向峰值磁通量達(dá)到 1.35×1023 Mx，其磁通量增長速率峰值達(dá)到 2.2×1022 Mx/d，遠(yuǎn)高于大多數(shù)活動區(qū)樣本均值。

縱向?qū)?AR 13664 與歷史上不同活動區(qū)進(jìn)行對比：從活動區(qū)面積上看，相比前 2 次太陽活動周的最大 AR（AR 10486 和 AR 12192），AR 13664 面積略小，但磁通量分布更集中（圖 1）?；顒訁^(qū) AR 10486是 2003 年“萬圣節(jié)風(fēng)暴”的主觸發(fā)源區(qū)，產(chǎn)生有史以來最強(qiáng)之一的 X17.2耀斑，并多次觸發(fā)暈狀（Halo）CME。AR 12192 產(chǎn)生了自 1990 年至今最大面積的黑子，約 4300 μHem，但其結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，爆發(fā)效率較低；從爆發(fā)能力看，AR 12673 爆發(fā)了第 24 太陽活動周最強(qiáng)的 X9.3 耀斑，結(jié)構(gòu)緊湊且剪切劇烈。AR 13664峰值磁通量浮現(xiàn)速率在衛(wèi)星高精度測量時(shí)代僅次于AR 12673（2.9×1022 Mx/d）與 AR 12192（3.4×1022 Mx/d），表明其快速積累磁能的能力，被認(rèn)為是最快的磁通量增長速率之一。然而，AR 最大磁場強(qiáng)度高達(dá) 4000 G，遠(yuǎn)高于典型強(qiáng)活動區(qū)。高磁通量浮現(xiàn)率及強(qiáng)磁場打破能量存儲極限，驅(qū)動多米諾式爆發(fā)鏈。因此，A13664 在多個(gè)關(guān)鍵物理維度上集成了 AR 12192 的“尺度優(yōu)勢”與 AR 12673 的“爆發(fā)能力”。

圖 1 RGO/NOAA 數(shù)據(jù)庫中太陽黑子群的最大面積和 MDI/HMI 數(shù)據(jù)庫中黑子群視線方向總的無符號磁通量分布

從矢量磁場參數(shù)上看，AR 13664 也展現(xiàn)出系統(tǒng)性極端特征，在 SDO/SHARP 數(shù)據(jù)集中提供的 20 多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)中，共有 16 項(xiàng)達(dá)到或超過其他 99% 的活動區(qū)，其中以下參數(shù)排在首位：

總無符號電流螺度（TOTUSJH），凈磁纏繞數(shù)（TOTTWIST），PIL 附近總無符號磁通量密度（R_VALUE），極性凈電流絕對值之和（SAVNCPP），以及凈電流螺度絕對值（ABSNJZH）。其他關(guān)鍵參數(shù)如光球?qū)涌偞拍苊芏龋═OTPOT）、總無符號垂直電流（TOTUSJZ）與總無符號磁通量（USFLUX），也均超過 99.9% 的活動區(qū)。這些參數(shù)與耀斑產(chǎn)率高度相關(guān)，共同反映出該活動區(qū)具有極高的非勢能積累程度與潛在爆發(fā)極端活動能力。

2 爆發(fā)源區(qū)磁場演化特性

AR 13664 的演化和爆發(fā)過程由多顆空間探測器進(jìn)行全面觀測，涵蓋了從近日面到遠(yuǎn)日面多個(gè)視角。觀測平臺包括地球軌道附近的羲和號（CHASE），夸父一號（ASO?S）、太陽動力學(xué)天文臺（SDO）、太陽和日球觀測天文臺（SOHO）、日地關(guān)系天文臺（STEREO），以及當(dāng)時(shí)處于太陽背面的太陽軌道飛行器（SolO）。觀測時(shí)間從 2024年5月1日持續(xù)至6月12日，完整覆蓋了其爆發(fā)全過程。

在此期間，AR 13664 共爆發(fā)了 23 次 X 級耀斑，并伴隨多次 CME，最終觸發(fā)了自 2003 年以來最強(qiáng)的地磁風(fēng)暴（Kp=9），對地球空間環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。AR 13664 的演化可分為 4 個(gè)階段。

1）初期階段（2024年5月1—4日）：

首次出現(xiàn)在東邊緣，表現(xiàn)為普通的雙極活動區(qū)（β 型），磁通量穩(wěn)定（<4×1022 Mx），面積≈300 μHem。黑子直徑 5000~20000km，磁場強(qiáng)度 1000~3000 G，呈現(xiàn)簡單 α 或 β 磁場構(gòu)型。磁場結(jié)構(gòu)清晰，正負(fù)極性分布對稱，極性反轉(zhuǎn)線較短且結(jié)構(gòu)平直，沒有明顯的剪切特征。該階段黑子分布稀疏，數(shù)量不多，活動區(qū)在空間分布上呈現(xiàn)分離型雙極系統(tǒng)，該階段并未爆發(fā) M 級或 X 級耀斑，活動性較低。

2）浮現(xiàn)階段（2024年5月5—6日）：

雙極黑子連續(xù)浮現(xiàn)，磁通量浮現(xiàn)率經(jīng)歷爆發(fā)性磁通量增長（速率從 0.35×1022Mx/d 升至 2.2×1022 Mx/d），其無符號徑向總磁通量達(dá) 1.35×1023 Mx，與第 24 太陽周最大活動區(qū) AR 12192 相當(dāng)（2×1023 Mx）。新雙極場的持續(xù)注入不僅擴(kuò)大了原有活動區(qū)的空間范圍，同時(shí)讓活動區(qū)磁場結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜。在這一過程中，一些新浮現(xiàn)的雙極場向內(nèi)側(cè)移動并與原有磁極發(fā)生接觸或合并，形成了高度壓縮的極性反轉(zhuǎn)線區(qū)域，為后期磁剪切的增強(qiáng)與能量積累奠定了基礎(chǔ)。

3）壓縮剪切階段（2024年5月7—8日）：

多個(gè)分離的磁場逐步合并為強(qiáng)磁場區(qū)，伴隨不同的黑子合并增長面積，其中最大的巨型黑子直徑超過 30000 km。黑子數(shù)量從初期 80 多個(gè)下降至約 40 個(gè)，總面積不斷擴(kuò)大，最終達(dá)到~3494 μHem 的峰值。東側(cè)連續(xù)浮現(xiàn)多個(gè)雙極磁場結(jié)構(gòu)，自 2024 年 5 月 7 日起迅速增大，自由磁能顯著增加，耀斑活動隨之增強(qiáng)；AR 13664的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。

這種黑子“數(shù)量減少、面積增加”的現(xiàn)象反映出合并帶來的磁場結(jié)構(gòu)壓縮和磁能匯聚。HMI 磁圖顯示，PIL 的長度和曲率迅速增長，PIL 兩側(cè)的矢量磁場的運(yùn)動方向趨于反平行，形成典型的高度剪切結(jié)構(gòu)。剪切速率在部分區(qū)域達(dá)到0.5~1.0 km/s，TOTUSJZ（總垂直電流）升高至 2×1014 A，顯示出系統(tǒng)內(nèi)部正在積累大量非勢能。該階段也是多數(shù) SHARP 參數(shù)（如TOTUSJH、TOTTWIST、R_VALUE）迅速上升的時(shí)段，為后續(xù)爆發(fā)活躍期積蓄能量。

4）磁能峰值與爆發(fā)階段（2024年5月9—10日）：

最大黑子直徑>30000 km，總磁通量≈13.5×1022 Mx，磁場強(qiáng)度>4000 G，發(fā)展為復(fù)雜的 βγδ 型；PIL 和強(qiáng)剪切流（速度達(dá) 1 km/s），持續(xù)超 2 d，覆蓋緯度范圍 200"；持續(xù)剪切運(yùn)動形成海蛇狀磁繩。AR 13664 的磁參數(shù)達(dá)到峰值，TOTUSJH、TOTPOT、R_VALUE、USFLUX、TOTTWIST 等關(guān)鍵參數(shù)均達(dá)到活動區(qū)磁參數(shù)觀測史的前 0.1%，部分甚至位列第一，意味著該系統(tǒng)已處于強(qiáng)的非勢能極限狀態(tài)。與此同時(shí)，SDO/AIA 94 ?與131 ?波段成像顯示，PIL 區(qū)域上方形成了清晰的Sigmoid 結(jié)構(gòu)，這是典型的爆發(fā)前日冕構(gòu)型，通常預(yù)示著低層剪切場驅(qū)動的磁重聯(lián)即將發(fā)生。

AR 13664 在可見日面發(fā)展為近 10 年來最活躍的大型活動區(qū)之一，其快速演化與高活動性使其成為研究復(fù)雜活動區(qū)中磁場能量存儲與釋放機(jī)制的典型代表。通過對光球?qū)哟沤Y(jié)構(gòu)浮現(xiàn)與水平運(yùn)動的分析，Romano 等認(rèn)為，同緯度、同經(jīng)度的連續(xù)雙極浮現(xiàn)，疊加匯聚與剪切運(yùn)動，是磁能積累的關(guān)鍵過程（圖 2）。

圖 2 使用 DAVE4VM 結(jié)合 SHARP HMI 矢量磁圖繪制的水平速度圖

3 爆發(fā)能量過程與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

AR 13664 在其爆發(fā)活躍期產(chǎn)生了至少 11 個(gè)X 級白光耀斑（WLF），在 3600? ?和 6173??波段上明顯增強(qiáng)。耀斑足點(diǎn)處的白光增強(qiáng)主要由非熱電子束加熱驅(qū)動，特別是在上升階段與硬 X 射線（HXR）峰值高度一致，而 6173 ??波段的延遲增強(qiáng)則可能受輻射回暖效應(yīng)影響。

在衰減期，白光輻射多出現(xiàn)于耀斑環(huán)，與 HXR 源區(qū)存在空間錯位，其增強(qiáng)可能與熱等離子體冷卻、湯姆遜散射或邊緣等離子體拋射有關(guān)，體現(xiàn)出多種輻射機(jī)制共存的特征。Velusamy 等利用美國戈德斯通天文臺（GAVRT）全頻段（3~14 GHz）射電觀測發(fā)現(xiàn)，相較于靜態(tài)的熱回旋共振譜，耀斑發(fā)生前后的頻譜表現(xiàn)出高頻段的輻射通量過剩，這表明，在此期間 AR 13664 的極端高活動性可能導(dǎo)致了在耀斑前后階段仍然存在殘余的非熱輻射成分的積累。

基于光球磁場觀測結(jié)合三維磁場外推，MacTag-gart等認(rèn)為 AR 13664 爆發(fā)的第 1 次暈狀 CME 是由新浮現(xiàn)的扭曲雙極場所觸發(fā)。磁中心線上正負(fù)磁通量的擠壓，促使電流密度增加并重新分布是磁繩形成原因，而拓?fù)浞指蠲嫔洗胖芈?lián)主導(dǎo)了能量釋放。

關(guān)于同源多個(gè) CME 的成因，Wang 等分析認(rèn)為 AR13664 磁通量的快速浮現(xiàn)，促進(jìn)了碰撞剪切，導(dǎo)致多個(gè)強(qiáng)磁場梯度極性反轉(zhuǎn)線的形成，觸發(fā)相互作用并產(chǎn)生多個(gè)同源 CME；其中 7 次暈狀 CME 根據(jù)軸向磁場方向的差異，可分為 2 類，且引起不同的地磁效應(yīng)。南向磁場主導(dǎo)的 CME 導(dǎo)致 Dst 快速下降，而北向磁場主導(dǎo)的 CME 會引發(fā)磁層頂壓縮遲滯。CME 南向和北向磁場的來源極可能與其日面源區(qū)磁結(jié)構(gòu)有關(guān)。

根據(jù) SDO 全日面紫外觀測的較差圖顯示，尤其在 211 ?波段（圖 3（a）），以 2024年5月9日的 X1.1 級耀斑/CME 為例，AR 13664 觸發(fā)的 X 級耀斑/CME 均伴有跨赤道的大尺度日冕暗化區(qū)域，與白光日冕儀觀測到的 CME 的拋射方向一致，這就預(yù)示相關(guān) CME 的日面源區(qū)磁結(jié)構(gòu)包含跨赤道的多重復(fù)雜磁場連接性，極可能是行星際對應(yīng)物南向和北向磁場的主要貢獻(xiàn)。

圖 3 AR 13664 觸發(fā)的 X 級耀斑伴隨的系列 CME 具有跨赤道的大尺度日面源區(qū)磁結(jié)構(gòu)

4 CME 行星際傳播

活動區(qū) AR 13664 觸發(fā)了多次強(qiáng)耀斑與日冕物質(zhì)拋射，這一系列能量釋放在日地空間形成了復(fù)雜的磁流體擾動結(jié)構(gòu)。AR 13664 的行星際傳播特征展現(xiàn)了高度非線性、多層結(jié)構(gòu)交疊與極端場強(qiáng)疊加等現(xiàn)象，對地球軌道及更廣闊的太陽系空間環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。

2024年5月8日，AR 13664 爆發(fā)了首個(gè)暈狀 CME，伴隨行星際激波，相關(guān)太陽風(fēng)速度峰值達(dá) 1000 km/s，Bz 分量持續(xù)南向，高達(dá)?50 nT。隨后連續(xù)觸發(fā)至少 6 次 Halo 型 CME，伴隨 X 級強(qiáng)耀斑。這些不同速度的快 CME，在離開日冕后呈現(xiàn)顯著的相互作用行為。在行星際空間中，多個(gè) CME 的相繼傳播與碰撞導(dǎo)致其形成復(fù)合驅(qū)動結(jié)構(gòu)，包括多重激波、交疊磁鞘與連續(xù)磁云系統(tǒng)。太陽風(fēng)探測衛(wèi)星（Wind）、深空氣候觀測衛(wèi)星（DSCOVR）與先進(jìn)成分探測器（ACE）均觀測到了這些結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化，特別是在 L1 點(diǎn)探測到的雙重前向擊波及隨后的壓縮鞘層，清楚地揭示了CME?CME 互擾與磁壓耦合的過程。

關(guān)于太陽風(fēng)?磁層耦合的驅(qū)動原因，Vichare 等提出了一種非線性機(jī)制，即行星際磁場 Y 分量（IMF?By）強(qiáng)度的增加與黏滯的協(xié)同作用。這一機(jī)制極有可能加強(qiáng)太陽風(fēng)?磁層耦合，調(diào)制低緯電離層；并進(jìn)一步總結(jié)出IMF?By 幅度?電離層響應(yīng)的定量關(guān)系，為地磁暴預(yù)報(bào)模型提供新的參數(shù)。

Kwak等提出，與2024年5月9日 08:45 UT 耀斑相關(guān)的 CME 在傳播過程中掃過了前期 CME，并最終在接近 1 AU 處與5月8日 04:37 UT 耀斑相關(guān)的CME 發(fā)生合并。由此引發(fā)的 IMF Bz 劇烈波動（尤其是持續(xù)的強(qiáng)南向分量）導(dǎo)致了 Dst 指數(shù)在主相與恢復(fù)相均表現(xiàn)出非典型的“鋸齒狀”結(jié)構(gòu)，引發(fā)了近 20 年來最強(qiáng)地磁暴。因此，這種 CME 行星際堆積效應(yīng)，有放大磁場的效果。進(jìn)一步地，Kwak 等利用 WSA–ENLIL+Cone 模型模擬了這一 CME?CME 相互作用場景，結(jié)果與 L1 點(diǎn)就位觀測到的太陽風(fēng)參數(shù)非常吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了 CME?CME 相互作用在引發(fā)強(qiáng)烈地磁風(fēng)暴中的核心作用。

這些高速 CME 驅(qū)動形成強(qiáng)烈的激波結(jié)構(gòu)。2024年5月10日 17:05 UT，激波到達(dá)地球，顯著壓縮了地磁層至約 5.04 個(gè)地球半徑（RE），并觸發(fā)了一次深度的 Forbush 下降。這些激波在不同傳播階段持續(xù)加速高能粒子，產(chǎn)生了一次典型的多重注入型太陽高能粒子事件（SEP）。

Ippolito 等利用蒙特卡洛模擬表明，CME 通過期間增強(qiáng)的低頻太陽風(fēng)湍流導(dǎo)致行星際磁場線擴(kuò)散增強(qiáng)，使地球磁連接區(qū)域顯著靠近AR 13664，從而促使由 CME 激波加速的高能質(zhì)子在短時(shí)間內(nèi)傳播至 L1 點(diǎn)，并造成 GOES 觀測到質(zhì)子通量的急劇上升。同時(shí)，Hayakawa 等研究證實(shí)，CME激波的連續(xù)疊加在日球空間形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)，對多個(gè)探測器（包括 GOES 與地面中子監(jiān)測器）記錄到的質(zhì)子通量增強(qiáng)具有決定性影響。其數(shù)據(jù)顯示，從 2024年5月9日開始，質(zhì)子通量逐步增強(qiáng)，并在10—11日迅速躍升，反映出多個(gè)激波前沿在不同階段的持續(xù)加速作用。

5 近地空間響應(yīng)

Liu 等認(rèn)為，在 AR 13664 所觸發(fā)的 CME 中，其中 7 次的暈狀（Halo）快速 CME，構(gòu)成了 2 次典型的“復(fù)合型太陽爆發(fā)事件”。這些爆發(fā)在行星際空間形成了強(qiáng)大的磁云與多重激波結(jié)構(gòu)，在 2024 年5月10—11日對地球空間環(huán)境造成了自 2003 年以來最強(qiáng)的擾動過程。這次事件在磁層、電離層、熱層、大氣成分、導(dǎo)航通信系統(tǒng)以及地面電力系統(tǒng)中均引發(fā)了廣泛而復(fù)雜的影響，體現(xiàn)了地球多尺度耦合系統(tǒng)對極端太陽活動多層級響應(yīng)。

受連續(xù)激波壓縮與磁云南向磁場影響，地球磁層發(fā)生了深度壓縮與大規(guī)模磁場重聯(lián)。Dst 指數(shù)在2024年5月 11日 03:00 UT 左右降至?412 nT（圖 4），達(dá)到現(xiàn)代記錄中第 6 強(qiáng)水平。強(qiáng)度明顯超越2015年3月（?234 nT）和2017年9月事件（?148 nT），表明此次事件在能量注入和磁層持續(xù)性擾動方面均達(dá)到極端值。伴隨 Dst 下降，Kp 指數(shù)升至最大值 9，并在連續(xù) 24 h 內(nèi)保持高于 8 級，表明全球磁層處于持續(xù)高擾動狀態(tài)。與此同時(shí)，AE/AL 等指數(shù)顯示極光電流系統(tǒng)向赤道延展，并出現(xiàn)飽和趨勢，代表包括環(huán)電流、場向電流（FAC）和極區(qū)電流等系統(tǒng)在內(nèi)的高緯電流結(jié)構(gòu)已進(jìn)入極限響應(yīng)區(qū)間。

圖 4 由墨西哥地磁臺網(wǎng)（REGMEX）3 個(gè)站點(diǎn)（COE、ITU、TEO）測量的區(qū)域地磁指數(shù)

在 2024年5月超級地磁暴期間，赤道電離層表現(xiàn)出顯著的擾動特征。福爾摩沙衛(wèi)星七號（COSMIC?2）和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)電離層總電子含量（GNSSTEC）等數(shù)據(jù)一致顯示，在風(fēng)暴主相期間，赤道 F 層高度迅速上升，最大躍升幅度達(dá)到~300 km，特別是在黃昏側(cè)印度–東南亞–非洲區(qū)域。該擾動伴隨 TEC 的劇烈增強(qiáng)與波動，在亞洲、非洲與美洲低緯地區(qū)形成了典型的電離層舌狀結(jié)構(gòu)（TOI），在恢復(fù)相階段出現(xiàn)高達(dá) 70% 的降幅。

這類擾動不僅表現(xiàn)為 L 波段GNSS 信號的閃爍增強(qiáng)（scintillation），也造成 GPS（全球定位系統(tǒng)）、北斗、Galileo 等系統(tǒng)在中低緯地區(qū)頻繁出現(xiàn)相位偏移與信號鎖失，嚴(yán)重影響導(dǎo)航與授時(shí)系統(tǒng)精度。Vichare 等認(rèn)為事件期間在赤道印度洋–非洲區(qū)域的等離子體垂直上升速度大幅高于靜態(tài)模型預(yù)測值，表明強(qiáng)南向 IMF 引發(fā)的“瞬間穿透電場”（PPEF）效應(yīng)在此次電離層暴中具有主導(dǎo)作用。

Wan 等利用 Swarm B 衛(wèi)星對于 510 km 高度的電子密度的觀測結(jié)果顯示，在此次地磁暴期間美洲片區(qū)的赤道電離層異常顯著增強(qiáng)，而亞洲片區(qū)的赤道電離層異常受到抑制，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的經(jīng)度差異（圖 5）?；诘鼗涂栈亩喾N觀測數(shù)據(jù)表明，此次地磁暴期間的電離層擾動是瞬間穿透電場、赤道向擾動風(fēng)、中性大氣成分變化（O/N2）和擾動發(fā)電機(jī)電場（DDEF）的綜合作用的結(jié)果，表現(xiàn)出復(fù)雜的性質(zhì)特征。

圖 5 Swarm B（510 km）衛(wèi)星在 2024 年 5 月 9—11 日

電子密度的觀測結(jié)果

熱層和中高層大氣的組分也因該事件發(fā)生變化。根據(jù) AURA/MLS 衛(wèi)星載荷的觀測，2024年5月超級風(fēng)暴后大氣中出現(xiàn)明顯臭氧損耗。其中 75~80 km 高度中層頂區(qū)域臭氧減少高達(dá) 60%，并在隨后的 2 周內(nèi)持續(xù)維持在 30%~50% 的低值區(qū)間。熱層區(qū)域（>90 km）臭氧濃度也出現(xiàn)約 20% 的下降，與極區(qū)高能粒子沉降過程密切相關(guān)。這些變化主要由高能電子與質(zhì)子沉降引發(fā)的 HOx/NOx 化學(xué)催化反應(yīng)所致，同時(shí)熱層加熱與子午環(huán)流結(jié)構(gòu)改變也起到了間接放大作用。

在 2024年5月地磁風(fēng)暴后，臭氧在中層頂（75 km）最大損耗達(dá) 60%，熱層（>90 km）濃度下降約20%，持續(xù)影響達(dá) 15 d 以上，具有明顯的高緯主導(dǎo)性與南北不對稱特征。這種變化由太陽高能粒子沉降（SEP+EEP）引發(fā)的 HOx/NOx 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)和熱層加熱所導(dǎo)致的環(huán)流擾動共同驅(qū)動。此外，Abunina 等指出，多個(gè) CME 疊加引發(fā)的行星際擾動導(dǎo)致銀河宇宙射線密度下降 15.7%，為 Forbush 效應(yīng)歷史極值之一。

在 2024年5月超級磁暴期間，地磁感應(yīng)電流（GIC）在墨西哥區(qū)域顯著增強(qiáng)，部分高壓變電站記錄到瞬時(shí) GIC 電流超過 40 A（為 2021 年事件的 4 倍），并報(bào)告溫度異常。意大利中部觀測站測得的地磁擾動幅值接近 600 nT，為 30 年來最大之一，表明中緯度電網(wǎng)對極端空間天氣仍存潛在脆弱性。

Liu 等根據(jù)太陽風(fēng)參數(shù)，使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的 Dst 曲線值與實(shí)測數(shù)據(jù)十分接近，其最小值約為?378 nT，僅比實(shí)際最小值低約 8%。這種估計(jì)與實(shí)測結(jié)果的高度一致性可被視為一種“校準(zhǔn)”，可以將該方法應(yīng)用于 STEREO?A 探測器所觀測到的太陽風(fēng)數(shù)據(jù)，利用 STEREO?A 衛(wèi)星觀測到激波比 Wind 提前2.6 h 抵達(dá)，估算該段結(jié)構(gòu)命中地球時(shí) Dst 指數(shù)值的變化，驗(yàn)證了多點(diǎn)觀測在極端事件預(yù)測中的優(yōu)勢。

低地球軌道衛(wèi)星（LEO）受熱層密度增強(qiáng)影響可能出現(xiàn)軌道衰減加快的趨勢，例如，俄羅斯的小型遙感衛(wèi)星 KANOPUS?V 3 的平均軌道衰減率在風(fēng)暴前約為每日 38 m，而在風(fēng)暴高峰期間則急劇增加至每日 180 m，增長了超過 4 倍。許多其他衛(wèi)星也在短短幾天內(nèi)經(jīng)歷了類似的快速軌道下降。這種突如其來的軌道衰減給衛(wèi)星運(yùn)營商帶來了巨大挑戰(zhàn)，尤其是在維持特定高度或星座配置時(shí)。計(jì)劃外的高度變化可能會擾亂衛(wèi)星之間精心設(shè)計(jì)的間距和相位，從而影響某些系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量或覆蓋范圍。

根據(jù)美國太空部門公開的數(shù)據(jù)分析，超過 5000 顆衛(wèi)星在風(fēng)暴期間進(jìn)行了主動機(jī)動，其中 SpaceX 的 Starlink 衛(wèi)星群占據(jù)了主導(dǎo)地位。這些衛(wèi)星通過自主導(dǎo)航系統(tǒng)啟動推進(jìn)器，主動調(diào)整軌道，以應(yīng)對突如其來的軌道衰減。大規(guī)模的機(jī)動行為不僅增加了衛(wèi)星之間發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，還對碰撞預(yù)警系統(tǒng)提出了更高的要求，這些表明極端空間天氣事件對在軌資產(chǎn)的持續(xù)運(yùn)營帶來很大風(fēng)險(xiǎn)。

6 討論

AR 13664 觸發(fā)的系列爆發(fā)增加了人類對超級活動區(qū)新的認(rèn)知，但也顯露出對日地系統(tǒng)極端響應(yīng)機(jī)制理解上的諸多空白。該活動區(qū)在太陽周期尚未達(dá)到極大期時(shí)快速形成并爆發(fā)，說明強(qiáng)活動區(qū)的時(shí)空分布可能并不完全服從經(jīng)典的周期規(guī)律，而是在更高維度的非線性演化過程。其在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的高磁通量增長速率與系統(tǒng)性非勢能積累，體現(xiàn)了太陽局部磁流體動力學(xué)系統(tǒng)高效的“發(fā)電機(jī)制”，現(xiàn)有基于穩(wěn)態(tài)剪切場和逐步重聯(lián)的理論模型難以給出充分解釋。

AR 13664 連續(xù)爆發(fā)多次 X 級耀斑，并形成多個(gè) CME復(fù)合磁云，最終導(dǎo)致長時(shí)間強(qiáng)南向 IMF 輸入與全球磁暴響應(yīng)。其擾動模式表明，極端空間天氣形成的一個(gè)重要模式，即源自非單一磁通量系統(tǒng)的強(qiáng)爆發(fā)，而可能由中等強(qiáng)度事件的結(jié)構(gòu)性疊加所主導(dǎo)。

值得注意的是，該活動區(qū)觸發(fā)恒星級別的白光耀斑強(qiáng)度，預(yù)示太陽具備更高能級磁活動的物理潛力，類似 AR 13664 的超級活動區(qū)提供了連接太陽與恒星耀發(fā)機(jī)制的關(guān)鍵橋梁。與此同時(shí)，此次事件造成電離層嚴(yán)重?cái)_動、導(dǎo)航系統(tǒng)頻繁失控、極區(qū)臭氧顯著下降，以及地面電力系統(tǒng)遭遇感應(yīng)電流增強(qiáng)，進(jìn)一步凸顯太陽活動已成為全球現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施安全的重要風(fēng)險(xiǎn)因子。在多系統(tǒng)耦合、多學(xué)科交匯的背景下，深入探索 AR 13664 觸發(fā)的日地系統(tǒng)爆發(fā)事件，是推動人們反思和重塑空間天氣建模范式和預(yù)報(bào)服務(wù)能力、基礎(chǔ)科研投入結(jié)構(gòu)及全球響應(yīng)體系的科學(xué)推進(jìn)器。

盡管一系列研究揭示了極端空間天氣事件的日地過程和對地球環(huán)境的影響，然而當(dāng)前國內(nèi)外在空間天氣預(yù)報(bào)和應(yīng)對方面仍存在較多不足。尤其是在預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性上，現(xiàn)有的模型和監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)仍無法提供足夠精確的預(yù)測，特別是對于極端事件發(fā)生的時(shí)間、強(qiáng)度和影響范圍的準(zhǔn)確把握，不能及時(shí)準(zhǔn)確地應(yīng)對相關(guān)災(zāi)害性空間天氣對地面技術(shù)系統(tǒng)，如電力、通信、導(dǎo)航等基礎(chǔ)設(shè)施的潛在巨大影響。隨著觀測和研究不斷取得進(jìn)展，亟須深化太陽活動機(jī)理研究，全面理解極端爆發(fā)事件成因，具備早期預(yù)警能力；同時(shí)加強(qiáng)空間天氣的監(jiān)測能力建設(shè)，提高預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)能力，更好地保護(hù)技術(shù)系統(tǒng)和社會生活免受極端空間天氣事件的威脅。

7 結(jié)論與展望

第廿五太陽周出現(xiàn)的這次太陽風(fēng)暴事件呈現(xiàn)出從太陽源區(qū)、行星際擾動到地球響應(yīng)的完整擾動鏈條。其爆發(fā)源區(qū) AR 13664 呈現(xiàn)出極端的磁通量浮現(xiàn)速率（峰值達(dá) 2.2×1022 Mx/d）、非勢能積累33 和復(fù)雜的 βγδ磁結(jié)構(gòu)，形成強(qiáng)剪切的極性反轉(zhuǎn)線（PIL）和典型的 sig-moid 形態(tài)，短時(shí)間內(nèi)爆發(fā)了至少 12 次 X 級與 52 次M 級耀斑。白光耀斑活動尤為顯著，在 3600 ?和6173 ?波段的增強(qiáng)幅度分別達(dá)到 13%~27% 和 9%~15%。

該系列爆發(fā)伴隨多次快速暈狀 CMEs。這些 CMEs在日地空間內(nèi)相繼發(fā)生相互作用和合并，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合行星際 CMEs 系統(tǒng)。L1 點(diǎn)探測數(shù)據(jù)顯示，該事件形成了雙激波結(jié)構(gòu)、多重鞘層和多重磁通量繩系統(tǒng)，磁場總強(qiáng)度達(dá)到 74 nT，IMF Bz 分量連續(xù)南向維持超過 30 h，構(gòu)成典型的復(fù)合 ICME 結(jié)構(gòu)。傳播結(jié)構(gòu)覆蓋角度廣泛，前沿傳播速度普遍超過 1000 km/s，局部區(qū)域接近 1800 km/s。強(qiáng)烈的行星際磁場擾動引發(fā)了自 2003 年“萬圣節(jié)風(fēng)暴”以來最強(qiáng)的 G5 級地磁暴，Dst 指數(shù)值最低降至?412 nT。極光活動擴(kuò)展至地磁緯度 29.8°，形成全球性可視極光事件（圖 6）。

圖 6 2024 年 5 月 10 日晚至 11 日凌晨中國新疆阿勒泰的紅色極光（a）和北京周邊拍到的極光（b）

全球范圍內(nèi)的 TEC（總電子含量）顯著上升。GNSS系統(tǒng)在多個(gè)區(qū)域受到嚴(yán)重影響，L 波段信號閃爍增強(qiáng)與頻繁失鎖現(xiàn)象，提示可能造成導(dǎo)航與授時(shí)精度退化。風(fēng)暴期間電離層擾動還引發(fā)了 O/N2 比值的下降與熱層結(jié)構(gòu)變化，Kwak 等指出該比值在極區(qū)出現(xiàn)顯著降低。部分地區(qū)的垂直 TEC 在恢復(fù)相期間出現(xiàn)下降趨勢，影響導(dǎo)航系統(tǒng)的垂直定位誤差。

圍繞該事件的系列研究激發(fā)了關(guān)于太陽爆發(fā)與空間天氣耦合機(jī)制的科學(xué)思考。首先，AR 13664 并未出現(xiàn)在太陽極大期，而是在上升—極大過渡階段迅速成長，打破了周期峰值與爆發(fā)強(qiáng)度線性對應(yīng)的傳統(tǒng)認(rèn)識，預(yù)示太陽活動受控于更復(fù)雜的深層調(diào)控機(jī)制，相關(guān)的物理規(guī)律以及被調(diào)控的極端爆發(fā)是否有更長時(shí)標(biāo)周期性規(guī)律等尚待破解。其次，極端爆發(fā)的白光耀斑增強(qiáng)幅度接近恒星上超級耀斑水平，太陽爆發(fā)的能量釋放上限仍未被完全揭示和理解，類太陽恒星超級耀發(fā)很可能與太陽耀斑有共同的機(jī)理或不同性質(zhì)。

通過太陽和恒星活動的類比研究，不僅促進(jìn)對恒星活動及其周邊空間天氣的深入理解，而且也是檢驗(yàn)太陽物理和空間物理獲得的已有規(guī)律，以及深化探索未知的需要。另外，多重磁云結(jié)構(gòu)經(jīng)過相互作用長期維持南向 IMF、造成激波交互形成和磁通量繩重組等復(fù)雜動力學(xué)過程，預(yù)示空間天氣模型的發(fā)展需要對行星際磁場預(yù)測、結(jié)構(gòu)合并演化、擾動持續(xù)性等方面進(jìn)行充分地物理刻畫，并急需發(fā)展日地系統(tǒng)的非線性耦合的觀測和理論框架。

未來觀測任務(wù)將在彌補(bǔ)現(xiàn)有模型不足與推動科學(xué)進(jìn)展等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。目前，國內(nèi)的先進(jìn)觀測如 ASO?S、“羲和”衛(wèi)星，以及“空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網(wǎng)”（子午工程）等提供了包含太陽矢量磁場、硬 X?ray 與 Lyman?α 成像與 Hα 光譜，以及近地空間局地和遙測等最新數(shù)據(jù)，正進(jìn)一步揭示太陽光球–色球–日冕–近地空間的物質(zhì)和能量傳輸細(xì)節(jié)。國外空間觀測如太陽軌道探測器（Solar Orbiter）、Wind、ACE、火星大氣與揮發(fā)物演化任務(wù)探測器（MAVEN）等已為AR 13664 提供了從太陽表面至 1 AU 的多點(diǎn)聯(lián)動觀測，促進(jìn)建立 CMEs 并合過程中的三維結(jié)構(gòu)演化鏈。

正在研制的太陽極軌天文臺與規(guī)劃中環(huán)日全景探測等將突破黃道面和單視角的限制，將補(bǔ)全當(dāng)前在太陽極區(qū)與三維磁場重構(gòu)方面的觀測局限，將為全面建模多源爆發(fā)、磁云并合和行星際擾動傳播機(jī)制提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。AR 13664 觸發(fā)的系統(tǒng)性重大爆發(fā)不僅驗(yàn)證夯實(shí)太陽活動已有規(guī)律，更為揭示更多新的多尺度耦合物理機(jī)制與推動全球空間天氣模型升級提供一個(gè)重要契機(jī)。

本文作者：周桂萍，周振軍，張小凡，林偉，萬慶濤

作者簡介：周桂萍，中國科學(xué)院國家天文臺太陽物理研究部，中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院，首席研究員，研究方向?yàn)槿彰嵛镔|(zhì)拋射的源區(qū)、初發(fā)和傳播，以及太陽/恒星磁活動類比。

文章來 源 ： 周桂萍, 周振軍, 張小凡, 等.2024年5月太陽活動區(qū) 13664 磁場演化及其極端空間天氣事件研究綜述 [J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2025, 43(16): 93?104 .

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