太阳爆发过程中的电磁相互作用研究取得系列新成果

云南天文台

太阳爆发过程中的电磁相互作用研究项目属太阳物理研究领域，系天文学科基础类研究。太阳是一颗离人类最近、对人类及其生存环境影响最大的一颗恒星；太阳的光辉既可为人类带来温暖、光明和勃勃生机，太阳的任何剧烈活动(或称为太阳爆发)也可能为人类的生存环境带来巨大的灾难。因此，加强对太阳活动的起源、发生发展规律以及未来活动预报的研究，直接关系着人类社会的生存和发展。该领域的研究对于国家科技长远发展、国家重大空间计划与国家安全等均具有极其重要的意义。该项目致力于揭示太阳爆发的物理起源，探索其最核心的驱动模式—电磁相互作用—宇宙中最基本的相互作用之一；在前辈研究的基础之上，通过建立太阳爆发的新理论模型、设计新的计算方法，开展相应的数值模拟和观测研究，取得了一系列研究成果如下：

一是建立了太阳爆发的Lin-Forbes模型。太阳物理界从1980年就开始通过求解MHD方程组，帮助理解太阳系中最剧烈的爆发现象—太阳爆发过程的物理本质问题，这是太阳物理研究主流之一，但是直到2000年项目组才得到第一个解析解，建立了至今唯一的太阳爆发解析模型。结果不但与观测符合得很好，后续的数值实验都充分证明了模型的合理性与正确性。该模型被国内外同行冠以中国人的姓氏，Lin-Forbes模型。基于该模型，项目组首次建立了磁星罕见爆发的MHD模型。为天体物理其他领域对磁激变现象的探索提供了参考借鉴和研究范式，为拓展开辟新的研究领域提供了具有重要价值的思路。相关的3篇代表作SCI他引466次。

二是针对太阳物理界长期关注的驱动太阳爆发的磁重联物理本质的问题，通过观测研究与数值实验，发现了太阳爆发大尺度磁重联电流片的湍流结构，首次确认太阳活动现象中磁重联过程湍流本质的普遍性，指出磁重联是太阳色球低温等离子体局部加热的一个新机制，成为太阳中低层大气局部加热现象的理论解释之一。这两个结果都得到国内外同行的验证，澄清了长期困惑太阳物理界、与大尺度磁重联速率及色球局部加热机制有关的疑问，引起国内外同行的广泛关注和后续研究。相关的4篇代表作SCI他引141次，其中的1篇代表作SCI他引45次，被IOP出版社评为2015-2017中国区高引用文章。

三是设计了新的数值模拟算法，首次以最接近实际情况的方式，从物理本质上揭示了光球磁场进入日冕的过程对太阳爆发触发机制的贡献，发现作为典型爆发前兆的日冕S-型磁位形的全新结构，其结果再现了Lin-Forbes模型展示的爆发的磁场位形，为构建太阳爆发物理预报模型打下理论基础。相关的1篇代表作被选为Nature Physics的封面文章，SCI他引25次。Science编 辑 在 刊 物338卷、10月19日 期 的“Editor’s Choice”中将其评为“state-of-the-art”。

该项目研究共发表文章107篇，SAO/ADS搜索总引用2847篇次，其中独立引用2215篇次；8 篇代表性论文总引用806次，SCI他引 657次，单篇SCI他引最高313次。首席研究员林隽于1999年获得教育部颁发的“科学技术进步”二等奖(排名第三)，2006年获得国家杰出青年基金支持，2010年获得云南省科学技术协会颁发的“第九届云南省优秀科技论文(云锡)奖”一等奖， 2015年享受国务院政府特殊津贴，2017年率领所属团队入选云南省创新团队(培育对象)，2018年入选云南省“万人计划”(“云岭学者”专项)；倪蕾副研究员于2016年入选中国科学院青年促进会成员，2018年入选云南省“万人计划”(“青年拔尖人才”专项)。

重要科学发现

太阳物理属于天体物理领域，系基础研究类，研究对象是太阳本身及其对外表现的物理实质。目前对太阳的研究分为4个方面：①太阳磁场和太阳活动周期的起源，太阳磁场演化对太阳其他表现与动力学特征的影响；②太阳活动的起源，太阳爆发活动中磁能积累、释放和高能物理过程；③太阳活动的长期变化以及孟德尔极小现象；④日冕加热机理与高速太阳风的起源。该项目工作领域主要涉及其中的第2部分。

太阳是宇宙中无数恒星中最普通的一个，但却孕育了处在其周围宜居带内的地球上的生命，并为生命的维持和进化提供必需的能量。人类赖以生存的地球镶嵌在动态变化的日球系统之中，随时都感受着太阳风以及来自太阳的等离子体流的作用。太阳上周期性发生的日冕物质抛射(简称CME)和太阳耀斑等剧烈活动导致整个行星际空间从射电到γ射线整个电磁波段辐射的迅速增强，同时抛出大量高能带电粒子和百亿吨的磁化等离子体团。这些高能物质到达地球后会与地球的磁层、电离层和中高层大气相互作用，导致严重的灾害性空间天气事件，从而直接影响现代人类的宜居生存环境。1989年3月发生的一系列大爆发造成北美地区变压器烧毁、变电站停运，从加拿大魁北克地区一直到美国新泽西州电网崩溃，致使该地区电力中断电9个小时(有的地区甚至断电几个月)，数百万居民生活受到影响；除此之外，还有上千颗人造卫星受到干扰和损害，寿命大大缩短；这些爆发造成了上百亿美元的经济损失。另外，太阳还是一个天然的、大尺度的、地面上无法复制的实验对象，可为研究宇宙中深处其他磁激变现象提供近距离、高分辨率的样本。因此，从源头上认识和预报太阳活动是人类有效避免太阳活动影响的必要举措；不但具有重要的科学意义，而且在保障国计民生、维护国家安全、促进人类未来发展、对外星文明的搜寻等方面具有显著的现实意义和实用价值。

部分创新点

太阳活动和爆发是太阳大气中磁场与磁场、磁场与等离子体之间相互作用的结果和外在表现，其本质是磁场能量与其他能量之间的转换，其根本的驱动源是光球等离子体不停地运动，带动其中的磁场一起运动，导致磁场结构的扭曲与变形，将光球等离子体的动能转换为磁能，储存在日冕磁场当中，直到日冕磁场结构失去平衡、产生爆发。对太阳活动和太阳爆发做出准确预报，即定量给出太阳爆发的位置、方向、时刻、强度等描述爆发动力学特征的重要参数；对爆发的影响到达时间、在地球附近可能产生的扰动强度，即灾害性空间天气的强度作出预报和评估，构成了对太阳物理研究的一个重大挑战。

应对这个挑战要求我们深入了解制约和驱动太阳爆发的物理过程，及其数学描述。因为这个问题涉及电磁场和等离子体，因此我们要了解的物理现象是电动力学过程与流体动力学过程相互耦合的结果，完整描述此问题需要用到一组与时间有关的非线性偏微分方程组—磁流体动力学(简称MHD)方程组。求解这套方程组，就可以为我们应对上述挑战提供坚实的理论基础。

Lin-Forbes模型中的基本磁场结构(a)，三维数值实验结果(b)，观测结果(c)。

求解方程组一个方法是先尽量找到它们的解析解，从整体上考察系统从平衡态经过一系列准静态演化后，到达临界状态直至爆发的过程。在解析方法无法解决问题的情况下，需要借助数值模拟手段对系统进行深入而细致的考察。该项目的几个重要科学贡献可用如下简要说明：

该项目取得的重要科学发现：

1）建立解析的太阳爆发（Lin-Forbes）理论模型，也是目前唯一的解析模型；将构建该模型的思路和方法进一步应用到非太阳物理领域，成功建立了磁中子星罕见耀发现象的理论模型。

在不同坐标系中对日冕磁结构的稳定性进行研究，针对太阳爆发的突发特征，根据磁重联在磁场湮灭和磁场能量转换过程中的关键作用，将MHD方程组变换为针对太阳爆发磁结构的包含一阶奇点的积分方程，在直角坐标系当中获得描述相应磁场结构的解析解，建立了太阳爆发的灾变模型—Lin-Forbes模型；对太阳爆发主要磁结构的演化规律、相互联系、观测特征给出定量描述，有助于了解太阳爆发的机理、演化过程、磁场结构与等离子体相互作用的模式；在数学上，对求解类似的积分方程具有借鉴价值。亮点如下：

第一，研究了日冕中弯曲的磁通量管产生的反弹力对驱动整体结构失去宏观平衡的作用规律，首次定量描述了这样的系统平衡态的演化特征，展示了该系统最终失去平衡、爆发开始前的重要性质，明确指出系统爆发前储存在磁结构中的能量完全足够驱动通常观测到的剧烈爆发。

磁中子星罕见耀发过程中磁场结构示意图(a)和理论与观测光变曲线(b)。

第二，通过变换MHD方程组，求解了包含一阶奇点的积分方程，首次得到对太阳爆发磁位形演化完整的数学定量描述，建立太阳爆发的解析模型—Lin-Forbes 模型，是目前国际上唯一的解析模型；首次实现对耀斑、爆发日珥、和CME这三种太阳爆发的主要表象及其演化特征的定量描述，建立这些表象的动力学关联的自洽模式；首次明确磁重联电流片在CME与太阳耀斑之间的纽带作用，以及三者间的自洽联系；其演化过程及相应的动力学特征由太阳爆发的初始过程和磁重联过程共同决定；首次指出爆发过程中磁重联电流片长度的高度动态演化特征，其速度可达每秒上百千米，而经典理论框架中的磁重联电流片长度不变；为经典理论增添了全新内涵。

该模型所预言的太阳爆发重要磁结构的关键演化特征和过程已经被数值实验和众多的观测结果所证实，目前观测到的许多爆发事件中的磁场和等离子体结构几乎完全按照Lin-Forbes模型所描述的方式来演化，得到国际太阳物理界专家学者们的普遍认可和广泛引用。该模型也被冠以中国人的姓氏，Lin-Forbes模型。在美国太阳物理学家David Webb的一项观测研究中，该项目的代表性论文被提到11次；奥地利太阳物理学家Astrid Veronig受该项目理论结果的启发，对一个爆发事件进行了研究，其结果表明理论与观测高度吻合。

除了上述对太阳爆发过程中的应用之外，该项目还在Lin-Forbes模型的基础上，成功地建立了磁中子星罕见耀发现象的理论模型，从方法论上为研究非太阳物理领域中的磁激变现象提供了新的模板以及有重要参考价值的研究思路。磁中子星是一类具有超强磁场、但自转较慢的中子星。普通的中子星自转周期在1.5毫秒到1秒之间，其表面磁场强度在1012高斯左右；而磁星的自转周期在1秒到10秒之间，表面磁场可高达1014-1015高斯！较慢的自转和超强的磁场使得星体表面和附近的磁场可以部分克服离心力对磁场结构的影响，而表现出类似于太阳大气当中的磁场的特征。对太阳爆发的研究结果显示，复杂的磁场结构可以储存额外的能量，复杂程度越高，能够储存的额外能量就越多；当能量超过临界值之后，相应的磁结构就会失去平衡，导致爆发。该项目据此针对磁星磁场强度和结构的特点，构建了其罕见耀发的MHD模型，由此获得的输出功率随时间的演化与实际观测到的磁中子星罕见耀发的光变曲线完全符合。

2003年11月18日的大爆发留下的耀斑环和电流片的、用不同波段观测到的数据合成的图像。爆发产生的CME已经从左边离开了视场。绿色部分是SOHO卫星上的EIT望远镜在195Å波段上观测到的太阳像，蓝色部分是美国高山天文台MK4白光日冕仪观测到的图像，红色部分图像是SOHO卫星上LASCO/C2白光日冕仪观测到的图像。对图中电流片厚度直接测量得到的结果是6.4万公里。

2）发现日冕和色球磁重联电流片中的新结构，建立了包含中性粒子的非完全电离等离子体中磁重联新模型。

根据Lin-Forbes 模型，对太阳爆发磁重联电流片及其周围磁场和等离子体结构的演化进行了观测研究，首次同时测量到磁重联内流和外流速度，为理论研究提供最直接的观测依据；进一步的分析和研究发现，电流片的厚度也很大，可达几万、甚至十几万千米，其中充满了各种尺度的结构(等离子体团)，这些结构在过去的观测和理论中都不曾被关注过。国际太阳物理界的同行们对其他事件的研究都得到了类似的结果。而磁重联经典理论一般认为，日冕中的磁重联电流片的厚度只有几十米，否则能量转换的效率太低，不能支撑太阳爆发过程中的快速能量释放！该项目的理论研究表明，长电流片中等离子体会不稳定性引起的湍流导致电流片中充满不同尺度的湍流结构、允许多种磁重联过程同时进行，厚电流片中的磁重联也能快速进行。该项目还对发生在太阳色球部分电离等离子体中的磁重联过程开展了数值实验。由于色球环境不同于日冕，对计算条件进行了相应调整，包含双极扩散、电离度、辐射冷却、非电离平衡、多流体成分等日冕环境没有的因素在内，使用单流体和多流体模式进行实验和对比。结果表明，色球中的磁重联过程也具有湍流与多尺度特征，磁重联过程得到明显加速。表明湍流在大尺度磁重联过程中的普遍性，为磁重联经典理论补充了重要内容；其次，实验结果首次表明色球磁重联过程可以在局部区域将温度为几千度的等离子体加热到几万度、甚至10万度的高温；另外，多流体模式下磁重联过程的加热效果会部分受到等离子体非电离平衡状态的抑制，但在强磁场(＞ 500 G)环境中，加热效果仍然明显。这些结果的意义如下：

数值实验的结果(a)表明，发生在色球当中的磁重联可以在局部区域将温度 T 为几千度的等离子体加热到几万度，而且也具有明显的湍流特征。卫星IRIS的观测结果(b)表明在温度较低(几千度)的低层大气中普遍存在温度较高(几万度)的小区域(见子图A、B、和F中的小亮点)。这些区域出现在光球正负磁场相互靠近的区域上方(子图C)，它们在形成温度较低的谱线(子图B和F)和形成温度较高的谱线(子图A)上均有所表现，但是在形成温度更高(十万度以上)的谱线上则没有踪迹(子图D和E)。

第一，在经典理论框架内，一个电流片当中磁重联过程仅以单一的方式发生，没有考虑等离子体不稳定性，磁重联速率或能量释放率基本上由系统初始的结构和参数决定，很难随意提高。

第二，长电流片内部会出现多种等离子体不稳定性，导致电流片内部出现众多中小尺度的结构，有利于磁场的耗散；这些结构之间还会发生相互作用，磁场被进一步耗散，极大地提高了磁重联效率。

第三，磁重联是色球局部加热的有效机制。观测结果表明，太阳低层大气中小尺度的加热现象普遍存在；该项目从理论上解释了观测结果；成为国际上对该现象的主流理论解释。该项目的代表性论文被英国IOP出版社评为2015-2017年度中国地区在天文研究领域位于前1%的高引用文章。

3） 设计出新的数值模拟，建立了新浮磁通量与日冕磁场相互作用产生缠绕结构，然后灾变式地失去平衡和后续爆发的物理图像。试验表明，这种相互作用能够产生可由观测证实的理论磁场位形，并最终产生Lin-Forbes模型所描述的爆发，证实了Lin-Forbes模型的合理性。取得了如下成果：

第一，计算中，对底边界采取与真实演化一致的方式，用随时间变化的电场代替运动磁场，对新浮磁通量和磁螺度如何导致日冕大尺度重构过程提出全新的解释。过去的太阳磁场全球模型则无法获得这一结果。

第二，解释快速CME的形成机制。新浮磁场导致爆发前日冕软X-射线波段出现的S-形磁结构的形成，是由2个J-型结构拼接而成，不是之前认为的单S-形结构。为观测结果提供了全新解释，加深了对S-形结构物理本质以及可能的演化后果的认识。

第三，既能自洽地捕捉到CME发生前后磁结构的演化，展现Lin-Forbes模型中的磁位形，还可直接计算软X-射线强度，这明显优于其他模型。太阳强X-射线辐射会导致地球大气受热膨胀，增加低轨卫星受到的大气阻力，降低其使用寿命。为评估太阳爆发对卫星的影响提供了重要的理论参考。

刊发研究成果

该研究成果为太阳爆发的理论预报提供了物理基础，作为封面文章发表在国际重量级物 理 研 究 刊 物Nature Physics上。Science编辑在刊物338卷、10月19日期的“Editor’s Choice”中将其评为“state-of-the-art”。该研究工作在“十二五”任务验收和科学院组织的“一三五”国际诊断与评估中，被评为“取得突出贡献的工作”，入选2012“中国十大天文科技进展”。

在该项目研究的基础上，后续研究不断获得了国家科技经费的大力支持

国家973计划 2013CBA01503：天体物理环境中高能粒子加速的实验室研究。

国家自然科学基金 10873030：爆发日珥磁流体动力学演化的理论研究。

国家自然科学基金 11333007：日冕物质抛射及其触发机制的理论研究和数值模拟。

国家自然科学基金 11273055：耀斑-CME磁重联电流片的理论研究和数值实验。

国家自然科学基金-天文联合基金 U1631130：磁重联电流片精细物理过程的高性能数值模拟方法研究。

中国科学院先导B合作项目 XDB09040202：太阳大气基本结构的高分辨研究及数值模拟。

中国科学院前沿科学重点研究计划项目QYZDJ-SSW-SLHO12:太阳爆发活动的精细电磁过程。

中国科学院“空间科学(二期)”战略性先导科技专项“空间科学预先研究项目”XDA15010900:太阳爆发的抵近探测。

中国科学院A类战略性先导科技专项临近空间科学实验系统专项总体技术预先研究XDA17040507：日冕仪临近空间搭载实验。