可真實地模擬太陽實時天氣，包括太陽黑子的出現！

一組科學家首次使用一個單一的、緊密結合的計算機模型來模擬太陽耀斑整個生命周期：從太陽表面下數千公里的能量積累，到糾纏的磁場線出現，再到耀斑爆發時的閃光。這一成果發表在《自然天文學》(Nature Astronomy)上，它為未來的太陽模型提供了平台，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，太陽黑子有時會產生耀斑和日冕物質拋射。這些」火山式「的爆發會對地球產生廣泛影響，從擾亂電網和通訊網路，到破壞衛星和危及宇航員。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家領導了這項研究。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的光發射光譜。

博科園-科學科普：洛克希德·馬丁太陽和天體物理實驗室的物理學家、斯坦福大學的訪問學者Mark張說：這項研究工作使我們能夠解釋為什麼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基金會(NCAR的贊助商)資助。在這項新的研究中，科學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域，捕捉到每個區域複雜和獨特的物理行為。由此產生的模型開始於對流區上部，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、壓力和其他太陽特徵差異是巨大的。

（下同）這種可視化圖是在新研究中模擬的太陽耀斑動畫，紫色表示溫度低於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到能量釋放的過程，科學家們需要在模型中加入詳細的方程式，使每個區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，不要讓模型變得過於複雜，以至於無法再使用可用的超級計算資源來運行。NCAR科學家馬蒂亞斯·倫佩爾(Matthias Rempel)說：我們的模型覆蓋了大範圍的物理條件，這使得它非常具有挑戰性，這種現實主義需要創新的解決方案。為了應對這些挑戰，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學技術。這項技術使科學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，使研究小組能夠創建一個既真實又高效的模型。

下一步是在模擬的太陽上設置一個場景，在之前使用簡單模型的研究中，科學家幾乎需要在耀斑爆發的瞬間啟動模型，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生了數十個耀斑，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。科學家們沒有試圖準確地模擬2014年的太陽黑子；相反大致上模擬了當時存在的太陽成分，這些成分在產生耀斑方面非常有效，然後放開模型，觀察它自己是否會產生耀斑。

模型能夠捕捉到整個過程，從能量的積累到表面的出現，再到上升到日冕，給日冕提供能量，然後到達太陽耀斑釋放能量的點。現在這個模型已經表明它能夠真實地模擬耀斑的整個生命周期，科學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生的情況。這是一個受到觀測數據啟發的獨立模擬，下一步是直接將觀察到的數據輸入模型，讓它來驅動正在發生的事情。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麼。

博科園-科學科普｜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》

論文DOI: 10.1038/s41550-018-0629-3

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