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(2025-01-16 09:06:55) 从太阳打喷嚏到地球感冒
李婷 中国科学院国家天文台 2024年12月13日
“有雨山戴帽，无雨半山腰”,
“燕子低飞蛇过道，大雨不久就来到”，这些是人们熟知的气象谚语，意思是我们可以通过观察云的变化和动物的行为来大致判断天气变化情况。与此类比，我们能否
也能通过某些征兆去预知地球大气层以外临近空间环境的变化呢？
众所周知，太阳爆发活动是地球大气层以外临近空间环境变化——即空间天气的重要驱动源，正
所谓太阳打“喷嚏”，地球可能会“感冒”。太阳耀斑和日冕物质抛射（CME）是太阳系中最为壮观的
两类活动现象，它们本质上是储存在一定磁场结构中的能量快速释放的过程。不同的磁场结构所
释放能量的多少是不同的，为了表征这种区别，人们提出了势场和非势磁场的概念（图1）。磁场
的最低“能态”是势场，势场中没有可以产生耀斑和CME的磁自由能。通常来讲，刚从光球表面以
下浮现出来的偶极磁场呈现势场位型。随后光球层通过剪切或汇聚运动，驱动植根于光球层的日冕
磁场不断改变形状，将光球运动的动能逐渐转化为磁自由能储存在日冕磁场结构中，成为非势磁
场。在一定扰动条件下，日冕磁场结构的平衡状态被破坏，磁自由能被快速释放出来，于是就产
生了太阳耀斑和CME。
磁能释放过程通过都发生在日冕，然而到目前为止人们还无法对日冕磁场进行直接测量，因此只
能通过测量光球磁场来大致判断日冕磁场的非势性（磁场偏离势场的程度）。人们提出了很多表
征活动区磁场非势性的参量[2-4]，包括强梯度磁场极性反转线的长度、磁剪切角、电流螺度、磁
螺度，等。许多研究表明活动区磁场的非势性和复杂程度决定了太阳爆发活动的强度。利用已知
的磁非势性参量，人们开展了大量太阳耀斑的预报建模，但预报的准确性仍不高。尚需寻找新的
可以提高预报准确性的磁场参量。
太阳动力学天文台（SDO）自2010年成功发射以来，提供了跨越十几年、不间断的光球矢量磁
场观测，这些数据为开展磁场参量与太阳爆发活动的关系研究奠定了基础。我们通过对SDO卫
星观测的323个活动区的分析（图2展示其中一个例子），发现活动区的高磁自由能密度区（HED
）的磁通量决定了该活动区所能产生的最大耀斑级别，产生大耀斑的活动区通常积累较多的磁自
由能（HED区域内），并具有较长的强梯度极性反转线（图3）。
为了进一步分析HED区域内的磁场参量较以前人们常用的磁场参量在耀斑预报中表现的差异，针
对同样的数据样本，我们采用了6种不同的深度学习算法（Transformer、BiLSTM-Attention、
BiLSTM、
LSTM-Attention、LSTM和神经网络NN基准模型）来预测活动区未来24小时内是
否爆发≥M级的耀斑。在评估模型的预报性能时主要考虑分类预测模型性能TSS和概率预测模型
性能BSS两个指标，另外还开展了特征重要性分析。结果表明：新提出的HED区域内的磁场参量
在这6个预报模型中的表现均优于传统的磁场参量（SHARP参数—SDO卫星的数据包之一，基
于对整个活动区的计算）。对比6个预报模型，Transformer预报模型的分类预报性能和概率预报
性能均优于其他预报模型（表1）。
这些研究结果表明，相较于整个活动区，核心区（即HED区域）的磁场特性与耀斑的关系更为密
切，我们新提出的HED磁场参量为未来基于更大的样本开展耀斑的预报建模提供了一个重要的先
兆因子。
然而，目前人们对于太阳爆发活动的物理机制仍不清楚，决定爆发活动发生的关键参量也不明
确，因此预报的准确性还不够理想。对于空间天气的预报，太阳爆发活动的预报是其中一个重
要的环节，但太阳活动产生的高能粒子和物质传播过程还受到太阳风以及行星际空间磁场等诸多
因素的影响。未来，我们不仅要寻找太阳爆发活动的“燕子低飞”和“蛇过道”的先兆特征，还要探
究从太阳打“喷嚏”到地球 “感冒”的响应过程。 参考文献： [1]van
Ballegooijen, A. & Martens, P.,1989, The Astrophysical
Journal,343,971. [2]Wang, J., Shi, Z., Wang, H., et al. 1996, ApJ,
456, 861 [3]Zhang, H. 2001, ApJ, 557, L71. [4]Kontogiannis,
Ioannis，2023，Advances in Space Research，71, 2017-2037. [5]Li, T.,
Zheng, Y., Li, X., et al. 2024, ApJ, 964, 159. [6]Li, X., Li, X.,
Zheng, Y., et al. 2025, ApJS, 276, 7.
作者简介
李婷，中科院国家天文台研究员，博士生导师。主要从事太阳爆发活动的演化过程和触发机制研
究。曾入选中国科协青年人才托举工程和中国科学院青年创新促进会。获亚太等离子体学会杰出
青年科学家奖和国家基金委优秀青年科学基金资助。
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