回顧：科學家預測日全食期間日冕變化

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動圖：日全食發生前，科學家預測的日全食期間日冕的變化

2017年8月21日，日全食掃過美國時，NASA衛星從太空中捕捉到了一系列圖像。從日全食發生的前幾天，部分NASA衛星就開始幫助科學家從地面預測日冕，即太陽外層大氣在日全食過程中可能出現的現象。這些預測不僅僅測試了我們的數據預測能力，同時使日食科學家可以提前選擇他們的研究目標。

加州聖地亞哥的預言科學協會是一家由NASA，國家自然科學基金會和美國空軍科學研究處贊助的私人計算物理學研究公司，利用NASA太陽動力學觀測台（SDO）研發一個改良數字模型，從而模擬日冕在日全食期間的變化。他們的模型使用了太陽表面的磁場觀測數據，為了預估磁場如何久而久之改變日冕形狀，使用了大量的超算資源。

儘管日冕與其他太陽物質分布在太陽表面，他們也能夠通過擾亂近地空間顯現自身存在，也就是空間天氣。「為了更準確地預計太陽活動的軌跡及其潛在影響，空間天氣的模型必須有描繪出日冕結構的能力。」預言科學協會主席及科學家Jon Linker說。

其中一個關鍵工具是在太陽活動發生之前就可以進行模擬的電腦模型。模型與觀測對比的研究手段是太陽物理學的核心，太陽物理學是一門專註於太陽及其對整個太陽系的動力學影響的科學。由於無法直接測量日冕，太陽物理學家用複雜的電腦模擬來測試和驗證他們的理論。

日全食對於科學來說是一個難能可貴的測試模型的機會。日全食的過程中，月亮完全擋住了太陽明亮的表面，展現出日冕的內部──這是像日冕物質噴發這類太陽噴發活動的來源地，但在平日里很難觀測。研究人員將日全食中收集到的觀測數據與他們的預估比較，從而評估和完善他們的日冕模型。

預言科學協會的研究人員最終用於預測2017年8月日全食的模型是當時最複雜的模型。除了SDO的太陽磁場圖，它還利用了SDO對太陽暗條的觀測數據。太陽暗條是太陽表面的彎曲結構，由低溫緻密的太陽物質組成。

較高且複雜的計算需求花費了大量時間，每一次模擬都需要上千個處理器同時工作兩天。研究小組在幾台超級計算機上運行他們的模型，這些超算來自德克薩斯州奧斯汀的德克薩斯高級計算中心、加利福尼亞州的聖地亞哥超級計算中心、加利福尼亞州矽谷的NASA埃姆斯研究中心附屬NASA高級計算機設備的昴星團超級計算機。

圖1 科學家預測的2017年8月21日的日冕狀態

來源：預言科學協會/Paul Holdorf/Joy Ng

預言科學協會研發了一個能夠模擬日冕在2017年8月21日日全食中變化情況的數字模型。請對比模型的預估（圖1）與日全食當天的圖片（圖2）。

圖2 2017年8月21日（日全食當天）的日冕圖像

來源：預言科學協會/Paul Holdorf/Joy Ng

「從初步比較的結果來看，該模型很好地擬合了大規模日冕的發生特徵。」Linker說。隨著模型變得越來越複雜，它甚至能顯示太陽精細磁結構與日冕大尺度結構之間的緊密聯繫。

在科學家測試他們模型的同時，NASA自己的日地關係觀測台（STEREO-A航天器），也在放眼未來，並為日全食當天日冕的變化提供線索。隨著日全食的日子逐漸接近，由於日地特定的自轉速率以及STEREO-A在太陽後的位置，2017年8月12日STEREO-A看到的日冕和九天後（8月21日）的全食帶幾乎是一樣的。也就是說，STEREO-A處在有利位置的時間大約比地球要早九天。

STEREO的關鍵設備包括一副日冕儀——也就是使用一片叫作掩盤的金屬盤來研究日冕的望遠鏡。掩盤的作用就像日全食，通過遮住太陽的強光來辨別周圍的日冕。

圖3STEREO-A預測的2017年8月21日的日冕圖像

由於日地特定的自轉速率以及STEREO-A在太陽後的位置，2017年8月12日STEREO-A看到的日冕和九天後（8月21日）的全食帶內看到的幾乎是一樣的。請對比STEREO-A的日全食預估（圖3）與ESA/NASA SOHO的觀測（圖4）；SOHO的作用是在日全食當天分享地球視角觀測到的日冕。

圖4 ESA/NASA SOHO實際觀測的日冕圖像

日冕儀於8月12日與21日獲得的圖像十分相似；兩者都呈現出三束光的形狀。在這裡，我們對比STEREO-A的日全食預估（圖3）與ESA/NASA的觀測（圖4）—SOHO的作用是在8月21日分享地球視角的日冕。光束所在位置之間的細微差別是由於STEREO-A和SOHO觀察太陽的角度的細微差異。

「8月12日與8月21日的圖像上細小的差別說明太陽的大氣變化十分緩慢—正如我們所料，它正逐漸走向太陽活動極小期，」Angelos Vourlidas說，他是STEREO科學小組成員，也是位於馬里蘭州勞雷爾的約翰霍普金斯大學應用物理研究所的太陽物理學家。「太陽正在沉入睡眠——但這個過程並不安靜，最近一連串的太陽活動提醒著我們這一點！」

太陽活動極小期是太陽自然周期11年中活動衰弱的時期。在太陽活躍的時候，日冕的動態變化發展得過快，以至於預測技術不是非常實用。但在接近太陽活動極小期的這段時間裡，預言科學協會和STEREO的日食預測都給研究人員一次改進模型的機會，並刷新我們對太陽當前活動的認識。

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