太陽觀測的新時代：利用日常數據保護地球免受太陽風暴的影響

科學家已經開發出一種幾乎每天測量太陽全球日冕磁場的方法，這對於瞭解影響地球的太陽風暴至關重要。

這一突破使用了升級的日冕多通道極化計，通過提供太陽日冕中發生的磁活動的全面視圖，增強了我們預測這些風暴的能力。

對太陽磁場的開創性觀測

科學家們第一次對太陽的全球日冕磁場進行了近乎每日的測量，這是一個以前只偶爾觀察到的區域。這些觀測爲了解強烈太陽風暴背後的過程提供了至關重要的見解，這些風暴影響到關鍵技術，從而影響到地球上的生命和生計。

10月3日出版的《科學》雜誌詳細介紹了一項數據分析，該數據是由一種名爲“升級日冕多通道偏振儀”（UCoMP）的儀器在8個多月的時間裡收集的。

太陽磁場是太陽風暴的主要驅動力，它會對電網、通信系統和GPS等太空技術構成威脅。然而，我們瞭解磁場如何積聚能量和爆發的能力，受到了在太陽日冕（太陽的上層大氣）中觀察磁場的挑戰的限制。

太陽磁場測量研究進展

通過標準的極化方法測量該區域的磁性通常需要大型，昂貴的設備，迄今爲止只能研究日冕的一小部分。然而，日冕地震學和UCoMP觀測的結合使用，使研究人員有可能對全球日冕的磁場產生一致和全面的看法 —— 日食期間看到的整個太陽視圖。

“日冕磁場的全球測繪一直是太陽研究中缺失的一個重要部分，”主要作者楊子豪（音譯）說，他是中國北京大學的博士研究生，現在是美國國家科學基金會國家大氣研究中心（NSF NCAR）的博士後。“這項研究幫助我們填補了對日冕磁場的理解上的一個關鍵空白，日冕磁場是影響地球的風暴的能量來源。”

國際團隊由來自英國諾森比亞大學的研究人員組成，包括NSF NCAR、北京大學和密歇根大學。本研究由中國國家自然科學基金和中國國家重點研發計劃資助，並由美國國家科學基金會NCAR授予楊的紐柯克研究生獎學金資助。UCoMP儀器是在美國國家科學基金會（NSF）的支持下開發的，由位於莫納羅亞太陽天文臺的NSF NCAR操作。

UCoMP儀器的增強功能

儘管科學家們已經能夠定期測量太陽表面的磁場，即所謂的光球層，但長期以來，測量更爲暗淡的日冕磁場一直很困難。這限制了對日冕磁場三維結構和演化的深入瞭解，日冕是太陽風暴的溫牀。

爲了深入測量三維日冕磁場，需要像美國國家科學基金會的Daniel K. Inouye太陽望遠鏡（DKIST）這樣的大型望遠鏡。DKIST的直徑爲4米，是世界上最大的太陽望遠鏡，最近展示了其對日冕磁場進行詳細觀測的突破性能力。然而，DKIST不能一次繪製出太陽的全部地圖。較小的UCoMP儀器實際上更適合爲科學家提供日冕磁場的全局圖像，儘管分辨率較低，而且是二維投影。因此，這兩個來源的觀測結果與日冕磁場的整體觀點高度互補。

UCoMP主要是一種日冕儀，一種使用圓盤遮擋太陽光線的儀器，類似於日食，使其更容易觀察日冕。它還結合了一個斯托克斯偏振計，它可以成像其他光譜信息，如日冕線強度和多普勒速度。儘管UCoMP有一個小得多的光圈（20釐米），但它能夠拍攝更寬的視野，這使得在大多數日子裡研究整個太陽成爲可能。

研究人員應用了一種叫做日冕地震學的方法來跟蹤UCoMP數據中的磁流體動力學（MHD）橫波。MHD波爲他們提供了信息，使他們有可能繪製出日冕磁場強度和方向的二維地圖。

2020年，之前的一項研究使用了UCoMP的前身和日冕地震學方法，繪製了第一張全球日冕磁場圖。這是常規日冕磁場測量的關鍵一步。UCoMP擴展了功能，可以進行更詳細的常規測量。在UCoMP研究期間，研究小組在2022年2月至10月期間製作了114張磁場圖，或者幾乎每隔一天製作一張。

研究人員表示：“我們正在進入一個太陽物理研究的新時代，我們可以定期測量日冕磁場。”

新的見解和未來的方向

這些觀測還產生了對極地地區日冕磁場的首次測量。太陽的兩極從來沒有被直接觀察到過，因爲太陽在兩極附近的曲線使它剛好超出了我們從地球上的視線。雖然研究人員沒有直接觀察到磁極，但他們第一次能夠測量磁極發出的磁性。這部分是由於UCoMP提供的數據質量有所提高，而且太陽正處於太陽活動極大期。極區典型的弱輻射要強得多，這使得在極區更容易獲得日冕磁場的結果。

作爲NSF NCAR的博士後，楊子豪將繼續他對太陽磁場的研究；他希望改進現有的基於光球測量的日冕模型。由於目前UCoMP使用的方法僅限於二維，它仍然無法捕獲完整的三維磁場。楊子豪和他的同事們希望將他們的研究與其他技術相結合，以更深入地瞭解日冕中磁場的全部矢量。

磁場的第三個維度，沿着觀察者的視線方向，對於理解日冕如何被激發導致太陽爆發是特別重要的。最終，需要一個大型望遠鏡和全球視野的結合來測量太陽爆發等現象背後的所有三維扭曲和纏結；這就是日冕太陽磁場觀測站（COSMO）背後的動機，這是一個直徑1.5米的太陽折射望遠鏡，正在進行最後的設計研究。

“由於日冕磁力是將太陽的質量送入太陽系的力量，我們必須在3D中觀察它，並且在全球日冕的任何地方同時觀察它，”宇宙發展負責人、美國國家科學基金會NCAR科學家薩拉吉布森說。“楊的工作代表了我們理解太陽全球日冕磁場如何每天變化的能力向前邁出了一大步。這對我們更好地預測和準備太陽風暴的能力至關重要，太陽風暴對我們在地球上越來越依賴技術的生活來說是一個越來越大的危險。”

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