一组科学家首次使用一个单一的、紧密结合的计算机模型来模拟太阳耀斑整个生命周期：从太阳表面下数千公里的能量积累，到纠缠的磁场线出现，再到耀斑爆发时的闪光。这一成果发表在《自然天文学》(Nature Astronomy)上，它为未来的太阳模型提供了平台，可以真实地模拟太阳自身的实时天气，包括太阳黑子的出现，太阳黑子有时会产生耀斑和日冕物质抛射。这些”火山式“的爆发会对地球产生广泛影响，从扰乱电网和通讯网络，到破坏卫星和危及宇航员。美国国家大气研究中心(NCAR)和洛克希德·马丁太阳和天体物理实验室的科学家领导了这项研究。新的综合模拟以一种比以往更真实的方式捕捉到太阳耀斑形成过程，其中包括已知与耀斑有关的光发射光谱。
博科园-科学科普：洛克希德·马丁太阳和天体物理实验室的物理学家、斯坦福大学的访问学者Mark张说：这项研究工作使我们能够解释为什么耀斑不仅在单一波长上看起来是这样，而且在可见光、紫外和极端紫外波长以及x射线中也是这样，我们正在解释太阳耀斑的多种颜色。这项研究主要由美国国家航空航天局和国家科学基金会(NCAR的赞助商)资助。
在这项新的研究中，科学家们必须建立一个太阳模型，该模型可以跨越太阳的多个区域，捕捉到每个区域复杂和独特的物理行为。由此产生的模型开始于对流区上部，即太阳表面以下约1万公里处，从太阳表面上升起，将4万公里推入太阳大气，即日冕。在整个模型中，气体密度、压力和其他太阳特征差异是巨大的。
（下同）这种可视化图是在新研究中模拟的太阳耀斑动画，紫色表示温度低于100万开尔文的等离子体。红色表示100万到1000万开尔文之间的温度，绿色表示1000万开尔文以上的温度。图片：Mark Cheung, Lockheed Martin, and Matthias Rempel, NCAR
为了成功地模拟太阳耀斑从出现到能量释放的过程，科学家们需要在模型中加入详细的方程式，使每个区域都能以一种真实的方式对太阳耀斑的演化做出贡献。但也必须小心，不要让模型变得过于复杂，以至于无法再使用可用的超级计算资源来运行。NCAR科学家马蒂亚斯·伦佩尔(Matthias Rempel)说：我们的模型覆盖了大范围的物理条件，这使得它非常具有挑战性，这种现实主义需要创新的解决方案。为了应对这些挑战，伦佩尔借用了研究地球和其他行星磁层的研究人员历来使用的一种数学技术。这项技术使科学家们能够在不损失精确度的情况下压缩层间时间尺度的差异，使研究小组能够创建一个既真实又高效的模型。
下一步是在模拟的太阳上设置一个场景，在之前使用简单模型的研究中，科学家几乎需要在耀斑爆发的瞬间启动模型，才能形成耀斑。在这项新的研究中，研究小组想要看看他们的模型是否能够自行产生耀斑。首先建立了一个场景，场景的条件是2014年3月观测到的一个特别活跃的太阳黑子。实际太阳黑子在可见期间产生了数十个耀斑，包括一个非常强大的x级耀斑和三个中等强度的m级耀斑。科学家们没有试图准确地模拟2014年的太阳黑子；相反大致上模拟了当时存在的太阳成分，这些成分在产生耀斑方面非常有效，然后放开模型，观察它自己是否会产生耀斑。
模型能够捕捉到整个过程，从能量的积累到表面的出现，再到上升到日冕，给日冕提供能量，然后到达太阳耀斑释放能量的点。现在这个模型已经表明它能够真实地模拟耀斑的整个生命周期，科学家们将用真实的太阳观测来测试它，看看它是否能够成功地模拟太阳表面实际发生的情况。这是一个受到观测数据启发的独立模拟，下一步是直接将观察到的数据输入模型，让它来驱动正在发生的事情。这是验证该模型的重要方法，该模型还能帮助我们更好地理解在太阳上观察到的是什么。
博科园-科学科普｜研究/来自：国家大气研究中心
Laura Snider, National Center for Atmospheric Research
参考期刊文献:《自然天文学》
论文DOI: 10.1038/s41550-018-0629-3
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