太陽拋射等離子體引發地磁風暴，助監測空間天氣

太陽會週期性地從其表面噴射出巨大的等離子氣泡，這些氣泡包含強磁場。這些現象被稱爲日冕物質拋射（CMEs）。當兩次這種拋射發生碰撞時，它們會產生強烈的地磁風暴，這可能會引發絢麗的極光，但也可能會干擾地球上的衛星和全球定位系統（GPS）。

2024年5月10日，北半球各地的人都目睹了這些太陽活動對地球空間天氣的影響。

兩次合併的日冕物質拋射事件引發了二十年來最大規模的地磁風暴，其表現爲天空中出現可見的色彩鮮豔的極光。

我是一名太陽物理學家。我和同事們致力於追蹤並更好地理解發生碰撞的日冕物質拋射現象，目的是改進空間天氣預報。在現代社會，技術系統越來越容易受空間天氣干擾影響，瞭解日冕物質拋射如何相互作用變得前所未有的關鍵。

日冕物質拋射又長又扭曲——有點像繩子——其發生的頻率隨着11年的週期而變化。在太陽活動極小期，研究人員每週大約觀測到一次，但在太陽活動極大期，他們平均每天可以觀測到兩到三次。

當兩個或更多的日冕物質拋射（CME）相互作用時，它們會產生大量的帶電粒子云和磁場，在碰撞過程中這些粒子云和磁場可能會相互壓縮、合併或重新連接。這些相互作用會增強日冕物質拋射對地球磁場的影響，有時會引發地磁暴。

近三分之一的日冕物質拋射會與其他日冕物質拋射或太陽風（從太陽外層釋放出的一股帶電粒子流）相互作用。

我的研究團隊在2024年5月發表的研究中，我們發現相互作用或碰撞的日冕物質拋射更有可能引發地磁暴——其可能性是單個日冕物質拋射的兩倍。這些日冕物質拋射碰撞時強磁場和高壓的混合，可能是引發風暴的原因。

在太陽活動極大期，每天可能會有超過10次日冕物質拋射，日冕物質拋射相互作用的可能性會增加。但研究人員不確定在此期間它們是否更有可能引發地磁暴。

科學家們可以研究相互作用的日冕物質拋射（CMEs）在太空中的運動，並利用天基和地基觀測站的觀測結果，觀察它們如何引發地磁暴。

在這項研究中，我們利用日地關係天文臺STEREO這一天基觀測站研究了三個在太空中相互作用的日冕物質拋射（CMEs）。我們通過三維模擬驗證了這些觀測結果。

我們研究的日冕物質拋射相互作用產生了一個複雜的磁場和一個壓縮的等離子體鞘層，等離子體鞘層是高層大氣中與地球磁場相互作用的一層帶電粒子。

當這種複雜結構遭遇地球磁層時，它會壓縮磁層並引發強烈的地磁暴。

同樣的過程引發了2024年5月的地磁暴。

5月8 - 9日期間，多個指向地球的日冕物質拋射，英文簡稱CME，從太陽噴發出來。當這些日冕物質拋射合併時，它們形成了一個巨大的組合結構，並於2024年5月10日晚抵達地球。這個結構引發了許多人觀測到的異常地磁暴。當晚，甚至美國南部部分地區的人們都能看到天空中的北極光。

科學家們擁有一個龐大的太空和地面觀測站網絡，例如帕克太陽探測器、太陽軌道飛行器、太陽動力學天文臺等，可以從不同的有利位置監測日球層（太陽周圍的區域）。

這些資源加上先進的建模能力，爲研究日冕物質拋射如何引發地磁暴提供了及時有效的方法。太陽將在2024年和2025年達到其太陽活動極大期。因此，隨着未來幾年更復雜的日冕物質拋射從太陽發出，以及對用於通信、導航和科學探索的天基基礎設施的依賴日益增加，監測這些事件比以往任何時候都更加重要。

將來自“風”（Wind）和“先進成分探測器”（ACE）等天基任務的觀測數據，以及來自“e - 卡利斯托網絡”（the e - Callisto network）和射電天文臺等地基設施的數據與最先進的模擬工具相結合，使研究人員能夠實時分析數據。這樣，他們就能快速對CMEs（日冕物質拋射）的活動做出預測。

這些進展對於保障基礎設施安全以及爲下一個太陽活動極大期做準備具有重要意義。如今應對這些挑戰可確保抵禦未來空間天氣的能力。