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《自然·通讯》发表实验室SIGMA组数值模拟太阳爆发研究取得进展

2016年05月17日 星期二 16:14:58

近日,《自然·通讯》(Nature Communications)发表了实验室江朝伟、冯学尚等利用数值模拟研究太阳爆发活动的最新成果“Data-driven magnetohydrodynamic modelling of a flux-emerging active region leading to solar eruption”。该论文通过观测数据直接驱动的磁流体模拟,自洽的重现了发生在太阳活动区内的一次爆发事件的起源—形成过程,并揭示了导致该次爆发的物理原因。

太阳爆发活动如耀斑、日珥喷发以及日冕物质抛射是特别剧烈的太阳大气磁活动现象,常常会造成灾害性的空间天气事件。太阳爆发现象形成的物理原因仍然是未解之谜。近半个世纪以来,科学家提出了各种猜测。最近比较流行的观点认为,爆发起因于日冕中的磁通量绳(Magnetic flux rope)—相互扭缠的含有强电流的磁结构的某种不稳定性,也有观点认为爆发的触发根源可能在于磁场重联机制(Magnetic reconnection)。但是,由于无法对日冕三维磁场进行准确有效的测量,关于爆发背后的原因以及相关磁场的演化过程至今仍然是学界争论的焦点问题。

实验室江朝伟、冯学尚和美国阿拉巴马大学S.T.Wu等近年来一直致力于开发太阳活动区演化的数值模式,探索采用连续的日面矢量磁图等观测数据作为边界约束与驱动条件,以数值再现实际日冕磁场结构及其演化,并开展了一系列关于太阳爆发机制与过程的研究。在最新的工作中,他们成功刻画了一次真实耀斑事件的起源—触发—爆发的完整过程(见图)。该模拟结果无论从空间位形还是时间演化上都和实际观测极其接近,重现了实际日冕磁动力学的演化进程。模拟结果直接展示了导致最终爆发的一系列重要因素:在爆发前的两天内,太阳内部的新磁通迅速不断地浮现到活动源区;磁拓扑分析表明新旧磁通之间形成了喷流状(Coronal jet)的磁场位形;由于持续的光球驱动,在核心磁拓扑的边界层上出现了高强度的电流薄片结构;进一步的演化触发了电流片内磁场重联,并导致磁场膨胀和磁场重联两个过程形成正反馈,因此系统发生不稳定而爆发。值得注意的是,模拟结果没有出现磁通量绳结构,说明磁绳并非爆发的必须条件,而形成有利于磁重联的拓扑位形可能更为关键。

该工作克服了目前相关领域观测分析与数值试验等传统研究方法的局限,为分析爆发机制发展了新的途径,对建立精确的太阳爆发数值模式具有推动作用。《自然·通讯》评审人认为 “This is certainly a new and important step forward for solar modeling in general and for space weather prediction …an essential step forward with a lot of potential for space weather predictions——该工作是太阳和空间模拟的一次至为重要的新进展,对空间天气预报犹具潜在应用价值”。

该研究得到国家自然科学基金项目、973项目和中科院青促会的资助。

链接:http://www.nature.com/ncomms/2016/160516/ncomms11522/full/ncomms11522.html



图:太阳爆发过程的观测和模拟对比以及磁拓扑分析结果。(a)太阳动力学卫星(SDO/AIA)拍摄的紫外波段图像。 (b)和(c)是数值模拟的磁力线演化图,其中(b)是俯视图,背景为光球磁通量分布;(c)是侧视图, 背景为中心垂直截面上 z 方向速度的分布。(d)是垂直截面上的磁挤压因子分布图,其中亮带表示磁拓扑分界线。

 

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