日冕物质抛射（CME）是太阳日冕中的磁化等离子体在强烈的磁场活动驱动下快速抛射的一种现象，是空间天气研究的重要课题之一。CME在日冕的典型形态为三分量结构即亮而密的前沿、暗而稀的暗腔和亮而密的内核。通常认为，暗腔和内核分别是CME磁通量绳和爆发日珥。近日，天气室冯学尚研究员、沈芳研究员、杨利平研究员等与中国科学技术大学地空学院申成龙教授、汪毓明教授等提出CME的三分量结构可由CME磁通量绳在日冕的非均匀膨胀产生。高精度模拟的天问一号探测的2021年12月4日CME事件显示在初始阶段无日珥特征的CME最终演化出高-低-高三分量密度结构，在日冕仪图像中表现为亮前沿、暗腔、亮核（如图1所示）。进一步分析表明高密度的亮前沿是CME磁通量绳前端的等离子体被压缩所致。由于和太阳风的相互作用，CME磁通量绳的外围区域膨胀强，中心和后部膨胀弱。这种不同的膨胀速率导致CME磁通量绳等离子体的稀释程度不同，从而在CME磁通量绳同时形成低密度的暗腔和高密度的内核。该高精度三维模拟研究首次说明CME磁通量绳自身的演化可以自洽生成三部分密度结构，加深了对日冕仪图像中CME形态的理解。
图1：高精度模拟和观测到的CME三分量结构。
阿尔芬波在太阳日冕加热、太阳风加速、阿尔芬湍流形成等起重要作用。作为一种基本过程，磁重联长期以来被认为可以产生阿尔芬波。然而，磁重联本身是否及如何激发阿尔芬波尚未明晰。为此，天气室冯学尚研究员、杨利平研究员等与北京大学地空学院何建森教授等高分辨率模拟了太阳日冕小尺度三维间歇交换磁重联，首次发现阿尔芬波在重联电流片中自发产生并双向传播即一部分阿尔芬波进入日冕，另一部分回传到低层大气。对磁重联激发阿尔芬波的机制分析表明间歇重联产生的磁通量绳表现为增强的总压力。磁通量绳抛射过程中，该压力持续扰动周围磁场，从而激发大振幅、准线性极化的阿尔芬波。所激发的阿尔芬波携带大量能量，可加热宁静日冕和加速太阳风。该项研究揭示出阿尔芬波与间歇磁重联之间的天然联系，从而为太阳大气阿尔芬波的产生提供一重要物理机制。这一发现可推广到天体物理、实验室环境等磁重联等离子体系统。
图2：太阳日冕交换磁重联的观测与模拟。
以上相关结果发表于The Astrophysical Journal和The Astrophysical Journal Letters。相关研究受到国家自然科学基金重点项目、科技部国家重点研发计划以及攀登计划等项目的联合资助。
论文链接：
Liping Yang, Xueshang Feng, Fang Shen, Ming Xiong, Chenglong Shen, Yutian Chi, Yuming Wang, Kuo Yan, Mengxuan Ma, Yufen Zhou, Man Zhang, and Xinhua Zhao, Expansion-induced Three-part Morphology of the 2021 December 4 Coronal Mass Ejection, 2025, Astrophys. J., 981 109. https://doi.org/10.3847/1538-4357/adb313
Liping Yang, Jiansen He, Xueshang Feng, Daniel Verscharen, Fan Guo, Hui Li, Hui Tian, Wenya Li, Fang Shen, Chuanpeng Hou, Mijie Shi, Honghong Wu, and Ming Xiong, Natural Generation of Alfvén Waves from Three-dimensional Bursty Interchange Magnetic Reconnection in the Solar Corona, 2025, Astrophys. J. Lett., 982 L25. https://doi.org/10.3847/2041-8213/adb8ce