基于太阳地震学测量的极性分辨远侧磁图

为什么观察太阳的背面很重要

来自太阳的空间天气风暴可能扰乱地球上的卫星、电网和无线电通信。这些风暴由活动区驱动——太阳表面磁场强烈的区域。我们能清晰地看到面向地球的那一半太阳，但对于另一半我们实际上是盲区。该研究提出了一种新方法，利用太阳表面的微弱振动结合航天器观测，不仅推断出远侧活动区的存在，还还原其磁结构和极性（南北方向）。这让我们更接近于实时获取太阳全方位 360 度磁图。

聆听太阳内部

太阳不断以声波振动，这些波在其内部来回反射。当这些声学波穿过有磁活动的区域时，会出现细微的传播时间延迟。地面望远镜网络，如全球振荡网（GONG），记录这些表面运动，并使用“太阳地震学全息”重建波在太阳背面受到扰动的方式。二十多年来，这些技术揭示了强远侧活动区的位置，但无法可靠地告诉科学家这些区域的哪些部分呈现正或负磁极。这一缺失的信息对于模拟太阳磁场如何延伸到空间以及预测太阳爆发轨迹至关重要。

将地震波纹转化为磁图

为弥补这一空白，作者将来自 GONG 的地震学数据与 Solar Orbiter 号上 SO/PHI 仪器的直接磁测量相结合，后者有时能够观测到太阳远侧的大面积区域。他们组装了一个三年（2022–2024）数据集，在该数据集中远侧的地震图与远侧磁图在时空上发生重叠。一个名为 FASTARR 的机器学习系统首先在地震图中识别远侧活动区的轮廓。在这些轮廓内，团队比较了地震相位偏移（波的微小时间变化）的强度与实测磁场强度。通过分析跨越 190 个活动区的数十万像素，他们表明地震信号与底层磁场之间存在稳定的非线性关系：在弱磁场区域，相位偏移随场强迅速增长；在较强磁场处则逐渐饱和。这个校准曲线使他们能够将任意远侧地震图转换为磁场强度的近似图。

找出磁场的正负极

知道磁场强度只是问题的一半；空间天气模型还需要知道磁场的方向。团队利用了一个简单但强有力的模式：大多数活动区由两个相反符号的主要磁叶并列组成。当他们观察推断出的磁强沿着活动区长度的变化时，常常看到清晰的双峰轮廓——每个磁叶对应一个峰。通过将每个区域旋转到最佳对齐位置并对该轮廓拟合两个平滑峰，他们可以推断出极性边界所在以及哪个侧在太阳自转方向上为“先导”或“尾随”。随后，他们将这些几何信息与海尔（Hale）极性定则结合——该定则是一个经过检验的模式，说明在特定太阳周期中每个半球应当哪一侧为先导极，以此在整个区域连续地分配正负符号。结果是一个平滑的、具有极性分辨能力的远侧磁图，可与 SO/PHI 的磁图直接比较。

在一次重大风暴中的实战检验

作者在 2024 年 5 月的一次显著事件中检验了他们的方法，当时一簇大型活动区产生了强烈的太阳耀斑和朝地球方向的爆发，导致了太阳周期 25 中最强的地磁风暴之一。随着关键区域自地球视野旋出并移入远侧，他们的地震学技术持续追踪这些磁性复合体的规模、强度和极性结构。在 Solar Orbiter 提供直接远侧磁图的地方，重构的地图在形状和极性模式上与观测到的结果高度一致，捕捉到了这些区域随时间碎裂和减弱的过程。定量比较表明，该方法能较为准确地重现磁场的相对强度和符号，尤其是在对空间天气最关键的强磁场部分。

迈向全太阳空间天气预报的一步

归根结底，这项工作表明，结合物理规律并以航天器观测为验证的细致太阳振动分析，能够在我们看不见的半球上恢复磁场的强度和方向。通过将远侧地震图以六小时步长转换为极性分辨的磁图，该方法可以填补太阳监测中的长期盲区。当与传统的前侧磁图结合使用时，它为日冕和太阳风模型提供了更现实的全太阳输入，从而提高我们预测太阳风暴何时以何种方式影响地球及整个太阳系的能力。

引用: Hamada, A., Jain, K., Strecker, H. et al. Polarity-resolved far-side magnetograms based on helioseismic measurements. Sci Rep 16, 13110 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42917-x

关键词: 空间天气, 太阳磁场, 太阳地震学, 太阳活动区, Solar Orbiter