一組科學(xué)家首次使用一個單一的、緊密結(jié)合的計算機模型來模擬太陽耀斑整個生命周期：從太陽表面下數(shù)千公里的能量積累，到糾纏的磁場線出現(xiàn)，再到耀斑爆發(fā)時的閃光。這一成果發(fā)表在《自然天文學(xué)》(Nature Astronomy)上，它為未來的太陽模型提供了平臺，可以真實地模擬太陽自身的實時天氣，包括太陽黑子的出現(xiàn)，太陽黑子有時會產(chǎn)生耀斑和日冕物質(zhì)拋射。這些”火山式“的爆發(fā)會對地球產(chǎn)生廣泛影響，從擾亂電網(wǎng)和通訊網(wǎng)絡(luò)，到破壞衛(wèi)星和危及宇航員。美國國家大氣研究中心(NCAR)和洛克希德·馬丁太陽和天體物理實驗室的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。新的綜合模擬以一種比以往更真實的方式捕捉到太陽耀斑形成過程，其中包括已知與耀斑有關(guān)的光發(fā)射光譜。
博科園-科學(xué)科普：洛克希德·馬丁太陽和天體物理實驗室的物理學(xué)家、斯坦福大學(xué)的訪問學(xué)者Mark張說：這項研究工作使我們能夠解釋為什么耀斑不僅在單一波長上看起來是這樣，而且在可見光、紫外和極端紫外波長以及x射線中也是這樣，我們正在解釋太陽耀斑的多種顏色。這項研究主要由美國國家航空航天局和國家科學(xué)基金會(NCAR的贊助商)資助。
在這項新的研究中，科學(xué)家們必須建立一個太陽模型，該模型可以跨越太陽的多個區(qū)域，捕捉到每個區(qū)域復(fù)雜和獨特的物理行為。由此產(chǎn)生的模型開始于對流區(qū)上部，即太陽表面以下約1萬公里處，從太陽表面上升起，將4萬公里推入太陽大氣，即日冕。在整個模型中，氣體密度、壓力和其他太陽特征差異是巨大的。
（下同）這種可視化圖是在新研究中模擬的太陽耀斑動畫，紫色表示溫度低于100萬開爾文的等離子體。紅色表示100萬到1000萬開爾文之間的溫度，綠色表示1000萬開爾文以上的溫度。圖片：Mark Cheung, Lockheed Martin, and Matthias Rempel, NCAR
為了成功地模擬太陽耀斑從出現(xiàn)到能量釋放的過程，科學(xué)家們需要在模型中加入詳細的方程式，使每個區(qū)域都能以一種真實的方式對太陽耀斑的演化做出貢獻。但也必須小心，不要讓模型變得過于復(fù)雜，以至于無法再使用可用的超級計算資源來運行。NCAR科學(xué)家馬蒂亞斯·倫佩爾(Matthias Rempel)說：我們的模型覆蓋了大范圍的物理條件，這使得它非常具有挑戰(zhàn)性，這種現(xiàn)實主義需要創(chuàng)新的解決方案。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，倫佩爾借用了研究地球和其他行星磁層的研究人員歷來使用的一種數(shù)學(xué)技術(shù)。這項技術(shù)使科學(xué)家們能夠在不損失精確度的情況下壓縮層間時間尺度的差異，使研究小組能夠創(chuàng)建一個既真實又高效的模型。
下一步是在模擬的太陽上設(shè)置一個場景，在之前使用簡單模型的研究中，科學(xué)家?guī)缀跣枰谝弑l(fā)的瞬間啟動模型，才能形成耀斑。在這項新的研究中，研究小組想要看看他們的模型是否能夠自行產(chǎn)生耀斑。首先建立了一個場景，場景的條件是2014年3月觀測到的一個特別活躍的太陽黑子。實際太陽黑子在可見期間產(chǎn)生了數(shù)十個耀斑，包括一個非常強大的x級耀斑和三個中等強度的m級耀斑?？茖W(xué)家們沒有試圖準(zhǔn)確地模擬2014年的太陽黑子；相反大致上模擬了當(dāng)時存在的太陽成分，這些成分在產(chǎn)生耀斑方面非常有效，然后放開模型，觀察它自己是否會產(chǎn)生耀斑。
模型能夠捕捉到整個過程，從能量的積累到表面的出現(xiàn)，再到上升到日冕，給日冕提供能量，然后到達太陽耀斑釋放能量的點?，F(xiàn)在這個模型已經(jīng)表明它能夠真實地模擬耀斑的整個生命周期，科學(xué)家們將用真實的太陽觀測來測試它，看看它是否能夠成功地模擬太陽表面實際發(fā)生的情況。這是一個受到觀測數(shù)據(jù)啟發(fā)的獨立模擬，下一步是直接將觀察到的數(shù)據(jù)輸入模型，讓它來驅(qū)動正在發(fā)生的事情。這是驗證該模型的重要方法，該模型還能幫助我們更好地理解在太陽上觀察到的是什么。
博科園-科學(xué)科普｜研究/來自：國家大氣研究中心
Laura Snider, National Center for Atmospheric Research
參考期刊文獻:《自然天文學(xué)》
論文DOI: 10.1038/s41550-018-0629-3
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