太阳高能粒子、X射线太阳耀斑与太阳黑子分类之间的潜在联系

《Advances in Space Research》：Possible Connections between Solar Energetic Particles, X-ray Solar Flares, and Sunspot Classification

本研究分析1996-2020年两个太阳活动周期中Solar Energetic Particles（SEPs）与X射线耀斑、太阳黑子分类的关系，采用直方图、皮尔逊相关分析及McIntosh分类，发现短时质子通量在SEP爆发前出现显著上升。

　　

梅利克·蒂拉克奇（Melike T?rnak??）|西蒙·阿塞诺夫斯基（Simeon Asenovski）|阿里·基尔奇克（Ali Kilcik）

土耳其安塔利亚市阿克德尼兹大学（Akdeniz University）理学院空间科学与技术系，邮编07058

摘要

太阳是一颗充满活力的恒星，经常出现高能现象，如太阳耀斑、日冕物质抛射（CME）和太阳高能粒子（SEPs）。太阳耀斑和日冕物质抛射与太阳高能粒子的产生密切相关，这些粒子由质子、电子和重离子组成，对宇航员、卫星和通信网络构成严重威胁。特别是在太空环境中，这些现象对生物物种和技术系统有显著影响，从而影响太空天气。

本研究利用1996年至2020年两个完整太阳周期的数据，探讨了太阳高能粒子、X射线太阳耀斑和太阳黑子分类之间的关系。首先，我们使用直方图展示了数据随时间的变化情况。然后，通过皮尔逊相关性分析（Pearson correlation analysis）来衡量所使用数据集之间的关联程度。根据麦金托什分类法（McIntosh classification，基于Z和c参数），我们区分了1996年至2020年间发生的太阳质子事件（SPEs），并进一步了解了哪些太阳黑子群更有可能产生NOAA定义的太阳高能粒子。为了更清晰地研究事件发生前的行为，我们还将每日质子通量曲线与NOAA定义的太阳高能粒子发生日对齐，进行了叠加分析。最后，我们应用了多锥方法（Multi Taper Method，MTM）分析了太阳高能粒子的发生时期。本研究最重要的发现是，在太阳高能粒子发展初期，经常观察到每日质子通量的短期增加，这发生在官方定义的爆发时间之前。

引言

太阳是一颗表面活跃现象众多的普通恒星。借助当前的技术进步，我们现在能够详细观测太阳，使其成为研究恒星物理学的天然实验室。通过观察太阳黑子、太阳耀斑和日冕物质抛射等现象，科学家们发现太阳的活动周期大约为11年——这一模式最早在近200年前的太阳黑子记录中被发现。

在各种太阳活动指标中，太阳黑子提供了最直接和长期的太阳磁场变化测量方法。它们的数量和结构在太阳活动周期（Schwabe Cycle）中不断变化，反映了太阳表面磁活动的周期性增强和减弱。由于太阳黑子的磁场复杂性，它们往往是最高能太阳事件的起源区域。为了描述其形态和磁场结构，已经开发了几种分类方案，包括科蒂（Cortie，1901年）、威尔逊山（Mount Wilson，Hale等人，1919年）、苏黎世（Waldmeier，1947年）和麦金托什（McIntosh，1990年）系统。本研究中采用的麦金托什分类法通过三个参数来描述每个太阳黑子群：修正后的苏黎世等级（Z）、半影类型（p）和紧凑度（c），从而将活动区域的结构与其产生爆发现象的潜力直接联系起来（Eren等人，2017年）。

太阳耀斑与太阳黑子密切相关，通常发生在磁场复杂的活跃区域，那里强烈的磁场重新连接并释放能量。它们表现为太阳表面亮度的突然增加，并根据GOES卫星测量的软X射线峰值通量分为五个强度等级——A、B、C、M和X级，其中X级耀斑代表最具能量的事件（Cliver等人，2022年；Pietrow，2022年）。GOES分类法用${\mathrm{Wm}}^{-2}$表示观测到的X射线通量，而较小规模的事件（如微耀斑和纳米耀斑）则根据其释放的总能量（以erg为单位）进行描述。

耀斑通常与日冕物质抛射同时发生，这两种过程都能将带电粒子加速到高能量，产生太阳高能粒子（SEPs）。太阳高能粒子主要由高能质子、电子和重离子组成，从太阳中喷射出来（Reames，1995年；Cliver和Ling，2007年；Zhang等人，2009年），并在行星际空间中传播。一般来说，脉冲型太阳高能粒子由耀斑驱动的磁场重联产生，而渐进型太阳高能粒子与日冕物质抛射驱动的冲击波有关（Reames，1995年；Desai和Giacalone，2016年）。然而，这些机制往往同时作用，使得它们之间的相对贡献难以区分（Klein和Posner，2005年）。在太阳高能粒子的更广泛类别中，NOAA定义的太阳高能粒子代表强烈的质子辐射时段。根据NOAA的操作定义，当能量超过$?10$ MeV的质子通量超过10 pfu时，就发生了太阳高能粒子事件（NOAA定义的SPEs）。由于NOAA定义的太阳高能粒子具有强烈的辐射效应，它们对航天器系统、宇航员和高空航空构成严重威胁。因此，并非所有太阳高能粒子都符合NOAA的定义，但所有太阳高能粒子都属于这一类别。这种区分在文献中被广泛使用（Reames，1995年；Desai和Giacalone，2016年），也是本研究的基础。

太阳高能粒子及其NOAA定义版本的发生和强度取决于活跃区域的磁场结构以及相关耀斑和日冕物质抛射的动态特性。先前的统计研究表明，太阳高能粒子的发生率随耀斑强度、日冕物质抛射速度和太阳黑子复杂性的增加而增加，尽管在不同太阳周期中主导因素可能有所不同（Ata?等人，2005年；Chandra等人，2013年；Gopalswamy等人，2014年；Kilcik等人，2020年）。因此，跨多个太阳周期研究这些关系有助于了解磁场活动如何控制高能粒子的加速和太空天气的变化。

本研究的主要目标是探讨太阳高能粒子、NOAA定义的太阳高能粒子以及X射线太阳耀斑之间的关系，并确定这些关系在太阳活动周期23和24期间如何依赖于太阳黑子群的复杂性。通过结合耀斑、质子和太阳黑子数据，本研究旨在阐明爆发性太阳活动与高能粒子产生之间的物理联系，从而有助于更好地理解和预测太空天气条件。

数据和方法

在本研究中，我们使用了空间天气预测中心（Space Weather Prediction Center，SWPC）提供的太阳高能粒子、NOAA定义的太阳高能粒子以及太阳耀斑数据集¹；由于太阳高能粒子数据集仅涵盖1996–2020年这段时间，因此所有数据集均限制在这个范围内，以确保一致性和可比性。对于太阳高能粒子数据集，我们关注的是大于10 MeV的质子通量。

这些事件特别重要，因为

分析与结果

图2展示了1996–2020年期间太阳高能粒子数据的直方图，以及C级、M级和X级太阳耀斑的总数量，bin大小为一年。

该图显示了1996年至2020年间太阳高能粒子通量与太阳耀斑（C级、M级、X级及总类别）的时间变化关系。分布清楚地反映了太阳活动周期的波动，在太阳活动周期23和24期间，太阳高能粒子的活动呈现出双峰结构。

结论与讨论

本研究关注太阳高能粒子、NOAA定义的太阳高能粒子、太阳耀斑和太阳黑子分类之间的关系。通过理解这些参数之间的联系，我们可以深入了解太空天气，并制定更有效的策略来减轻太阳高能粒子可能带来的危害。以下是我们的主要发现：

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太阳高能粒子与NOAA定义的太阳高能粒子系列之间的强相关性（$r$

），结合事件发生前的上升趋势，表明

致谢

本文是梅利克·蒂拉克奇（Melike T?rnak??）的硕士论文的一部分。作者衷心感谢NOAA空间天气预测中心提供用于本研究的太阳耀斑和质子事件数据。