云南天文臺

太陽爆發(fā)過程中的電磁相互作用研究項目屬太陽物理研究領域，系天文學科基礎類研究。太陽是一顆離人類最近、對人類及其生存環(huán)境影響最大的一顆恒星；太陽的光輝既可為人類帶來溫暖、光明和勃勃生機，太陽的任何劇烈活動(或稱為太陽爆發(fā))也可能為人類的生存環(huán)境帶來巨大的災難。因此，加強對太陽活動的起源、發(fā)生發(fā)展規(guī)律以及未來活動預報的研究，直接關系著人類社會的生存和發(fā)展。該領域的研究對于國家科技長遠發(fā)展、國家重大空間計劃與國家安全等均具有極其重要的意義。該項目致力于揭示太陽爆發(fā)的物理起源，探索其最核心的驅動模式—電磁相互作用—宇宙中最基本的相互作用之一；在前輩研究的基礎之上，通過建立太陽爆發(fā)的新理論模型、設計新的計算方法，開展相應的數值模擬和觀測研究，取得了一系列研究成果如下：

一是建立了太陽爆發(fā)的Lin-Forbes模型。太陽物理界從1980年就開始通過求解MHD方程組，幫助理解太陽系中最劇烈的爆發(fā)現象—太陽爆發(fā)過程的物理本質問題，這是太陽物理研究主流之一，但是直到2000年項目組才得到第一個解析解，建立了至今唯一的太陽爆發(fā)解析模型。結果不但與觀測符合得很好，后續(xù)的數值實驗都充分證明了模型的合理性與正確性。該模型被國內外同行冠以中國人的姓氏，Lin-Forbes模型?；谠撃Ｐ?，項目組首次建立了磁星罕見爆發(fā)的MHD模型。為天體物理其他領域對磁激變現象的探索提供了參考借鑒和研究范式，為拓展開辟新的研究領域提供了具有重要價值的思路。相關的3篇代表作SCI他引466次。

二是針對太陽物理界長期關注的驅動太陽爆發(fā)的磁重聯物理本質的問題，通過觀測研究與數值實驗，發(fā)現了太陽爆發(fā)大尺度磁重聯電流片的湍流結構，首次確認太陽活動現象中磁重聯過程湍流本質的普遍性，指出磁重聯是太陽色球低溫等離子體局部加熱的一個新機制，成為太陽中低層大氣局部加熱現象的理論解釋之一。這兩個結果都得到國內外同行的驗證，澄清了長期困惑太陽物理界、與大尺度磁重聯速率及色球局部加熱機制有關的疑問，引起國內外同行的廣泛關注和后續(xù)研究。相關的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出版社評為2015-2017中國區(qū)高引用文章。

三是設計了新的數值模擬算法，首次以最接近實際情況的方式，從物理本質上揭示了光球磁場進入日冕的過程對太陽爆發(fā)觸發(fā)機制的貢獻，發(fā)現作為典型爆發(fā)前兆的日冕S-型磁位形的全新結構，其結果再現了Lin-Forbes模型展示的爆發(fā)的磁場位形，為構建太陽爆發(fā)物理預報模型打下理論基礎。相關的1篇代表作被選為Nature Physics的封面文章，SCI他引25次。Science編 輯 在 刊 物338卷、10月19日 期 的“Editor’s Choice”中將其評為“state-of-the-art”。

該項目研究共發(fā)表文章107篇，SAO/ADS搜索總引用2847篇次，其中獨立引用2215篇次；8 篇代表性論文總引用806次，SCI他引 657次，單篇SCI他引最高313次。首席研究員林雋于1999年獲得教育部頒發(fā)的“科學技術進步”二等獎(排名第三)，2006年獲得國家杰出青年基金支持，2010年獲得云南省科學技術協會頒發(fā)的“第九屆云南省優(yōu)秀科技論文(云錫)獎”一等獎， 2015年享受國務院政府特殊津貼，2017年率領所屬團隊入選云南省創(chuàng)新團隊(培育對象)，2018年入選云南省“萬人計劃”(“云嶺學者”專項)；倪蕾副研究員于2016年入選中國科學院青年促進會成員，2018年入選云南省“萬人計劃”(“青年拔尖人才”專項)。

重要科學發(fā)現

太陽物理屬于天體物理領域，系基礎研究類，研究對象是太陽本身及其對外表現的物理實質。目前對太陽的研究分為4個方面：①太陽磁場和太陽活動周期的起源，太陽磁場演化對太陽其他表現與動力學特征的影響；②太陽活動的起源，太陽爆發(fā)活動中磁能積累、釋放和高能物理過程；③太陽活動的長期變化以及孟德爾極小現象；④日冕加熱機理與高速太陽風的起源。該項目工作領域主要涉及其中的第2部分。

太陽是宇宙中無數恒星中最普通的一個，但卻孕育了處在其周圍宜居帶內的地球上的生命，并為生命的維持和進化提供必需的能量。人類賴以生存的地球鑲嵌在動態(tài)變化的日球系統(tǒng)之中，隨時都感受著太陽風以及來自太陽的等離子體流的作用。太陽上周期性發(fā)生的日冕物質拋射(簡稱CME)和太陽耀斑等劇烈活動導致整個行星際空間從射電到γ射線整個電磁波段輻射的迅速增強，同時拋出大量高能帶電粒子和百億噸的磁化等離子體團。這些高能物質到達地球后會與地球的磁層、電離層和中高層大氣相互作用，導致嚴重的災害性空間天氣事件，從而直接影響現代人類的宜居生存環(huán)境。1989年3月發(fā)生的一系列大爆發(fā)造成北美地區(qū)變壓器燒毀、變電站停運，從加拿大魁北克地區(qū)一直到美國新澤西州電網崩潰，致使該地區(qū)電力中斷電9個小時(有的地區(qū)甚至斷電幾個月)，數百萬居民生活受到影響；除此之外，還有上千顆人造衛(wèi)星受到干擾和損害，壽命大大縮短；這些爆發(fā)造成了上百億美元的經濟損失。另外，太陽還是一個天然的、大尺度的、地面上無法復制的實驗對象，可為研究宇宙中深處其他磁激變現象提供近距離、高分辨率的樣本。因此，從源頭上認識和預報太陽活動是人類有效避免太陽活動影響的必要舉措；不但具有重要的科學意義，而且在保障國計民生、維護國家安全、促進人類未來發(fā)展、對外星文明的搜尋等方面具有顯著的現實意義和實用價值。

部分創(chuàng)新點

太陽活動和爆發(fā)是太陽大氣中磁場與磁場、磁場與等離子體之間相互作用的結果和外在表現，其本質是磁場能量與其他能量之間的轉換，其根本的驅動源是光球等離子體不停地運動，帶動其中的磁場一起運動，導致磁場結構的扭曲與變形，將光球等離子體的動能轉換為磁能，儲存在日冕磁場當中，直到日冕磁場結構失去平衡、產生爆發(fā)。對太陽活動和太陽爆發(fā)做出準確預報，即定量給出太陽爆發(fā)的位置、方向、時刻、強度等描述爆發(fā)動力學特征的重要參數；對爆發(fā)的影響到達時間、在地球附近可能產生的擾動強度，即災害性空間天氣的強度作出預報和評估，構成了對太陽物理研究的一個重大挑戰(zhàn)。

應對這個挑戰(zhàn)要求我們深入了解制約和驅動太陽爆發(fā)的物理過程，及其數學描述。因為這個問題涉及電磁場和等離子體，因此我們要了解的物理現象是電動力學過程與流體動力學過程相互耦合的結果，完整描述此問題需要用到一組與時間有關的非線性偏微分方程組—磁流體動力學(簡稱MHD)方程組。求解這套方程組，就可以為我們應對上述挑戰(zhàn)提供堅實的理論基礎。

Lin-Forbes模型中的基本磁場結構(a)，三維數值實驗結果(b)，觀測結果(c)。

求解方程組一個方法是先盡量找到它們的解析解，從整體上考察系統(tǒng)從平衡態(tài)經過一系列準靜態(tài)演化后，到達臨界狀態(tài)直至爆發(fā)的過程。在解析方法無法解決問題的情況下，需要借助數值模擬手段對系統(tǒng)進行深入而細致的考察。該項目的幾個重要科學貢獻可用如下簡要說明：

該項目取得的重要科學發(fā)現：

1）建立解析的太陽爆發(fā)（Lin-Forbes）理論模型，也是目前唯一的解析模型；將構建該模型的思路和方法進一步應用到非太陽物理領域，成功建立了磁中子星罕見耀發(fā)現象的理論模型。

在不同坐標系中對日冕磁結構的穩(wěn)定性進行研究，針對太陽爆發(fā)的突發(fā)特征，根據磁重聯在磁場湮滅和磁場能量轉換過程中的關鍵作用，將MHD方程組變換為針對太陽爆發(fā)磁結構的包含一階奇點的積分方程，在直角坐標系當中獲得描述相應磁場結構的解析解，建立了太陽爆發(fā)的災變模型—Lin-Forbes模型；對太陽爆發(fā)主要磁結構的演化規(guī)律、相互聯系、觀測特征給出定量描述，有助于了解太陽爆發(fā)的機理、演化過程、磁場結構與等離子體相互作用的模式；在數學上，對求解類似的積分方程具有借鑒價值。亮點如下：

第一，研究了日冕中彎曲的磁通量管產生的反彈力對驅動整體結構失去宏觀平衡的作用規(guī)律，首次定量描述了這樣的系統(tǒng)平衡態(tài)的演化特征，展示了該系統(tǒng)最終失去平衡、爆發(fā)開始前的重要性質，明確指出系統(tǒng)爆發(fā)前儲存在磁結構中的能量完全足夠驅動通常觀測到的劇烈爆發(fā)。

磁中子星罕見耀發(fā)過程中磁場結構示意圖(a)和理論與觀測光變曲線(b)。

第二，通過變換MHD方程組，求解了包含一階奇點的積分方程，首次得到對太陽爆發(fā)磁位形演化完整的數學定量描述，建立太陽爆發(fā)的解析模型—Lin-Forbes 模型，是目前國際上唯一的解析模型；首次實現對耀斑、爆發(fā)日珥、和CME這三種太陽爆發(fā)的主要表象及其演化特征的定量描述，建立這些表象的動力學關聯的自洽模式；首次明確磁重聯電流片在CME與太陽耀斑之間的紐帶作用，以及三者間的自洽聯系；其演化過程及相應的動力學特征由太陽爆發(fā)的初始過程和磁重聯過程共同決定；首次指出爆發(fā)過程中磁重聯電流片長度的高度動態(tài)演化特征，其速度可達每秒上百千米，而經典理論框架中的磁重聯電流片長度不變；為經典理論增添了全新內涵。

該模型所預言的太陽爆發(fā)重要磁結構的關鍵演化特征和過程已經被數值實驗和眾多的觀測結果所證實，目前觀測到的許多爆發(fā)事件中的磁場和等離子體結構幾乎完全按照Lin-Forbes模型所描述的方式來演化，得到國際太陽物理界專家學者們的普遍認可和廣泛引用。該模型也被冠以中國人的姓氏，Lin-Forbes模型。在美國太陽物理學家David Webb的一項觀測研究中，該項目的代表性論文被提到11次；奧地利太陽物理學家Astrid Veronig受該項目理論結果的啟發(fā)，對一個爆發(fā)事件進行了研究，其結果表明理論與觀測高度吻合。

除了上述對太陽爆發(fā)過程中的應用之外，該項目還在Lin-Forbes模型的基礎上，成功地建立了磁中子星罕見耀發(fā)現象的理論模型，從方法論上為研究非太陽物理領域中的磁激變現象提供了新的模板以及有重要參考價值的研究思路。磁中子星是一類具有超強磁場、但自轉較慢的中子星。普通的中子星自轉周期在1.5毫秒到1秒之間，其表面磁場強度在1012高斯左右；而磁星的自轉周期在1秒到10秒之間，表面磁場可高達1014-1015高斯！較慢的自轉和超強的磁場使得星體表面和附近的磁場可以部分克服離心力對磁場結構的影響，而表現出類似于太陽大氣當中的磁場的特征。對太陽爆發(fā)的研究結果顯示，復雜的磁場結構可以儲存額外的能量，復雜程度越高，能夠儲存的額外能量就越多；當能量超過臨界值之后，相應的磁結構就會失去平衡，導致爆發(fā)。該項目據此針對磁星磁場強度和結構的特點，構建了其罕見耀發(fā)的MHD模型，由此獲得的輸出功率隨時間的演化與實際觀測到的磁中子星罕見耀發(fā)的光變曲線完全符合。

2003年11月18日的大爆發(fā)留下的耀斑環(huán)和電流片的、用不同波段觀測到的數據合成的圖像。爆發(fā)產生的CME已經從左邊離開了視場。綠色部分是SOHO衛(wèi)星上的EIT望遠鏡在195?波段上觀測到的太陽像，藍色部分是美國高山天文臺MK4白光日冕儀觀測到的圖像，紅色部分圖像是SOHO衛(wèi)星上LASCO/C2白光日冕儀觀測到的圖像。對圖中電流片厚度直接測量得到的結果是6.4萬公里。

2）發(fā)現日冕和色球磁重聯電流片中的新結構，建立了包含中性粒子的非完全電離等離子體中磁重聯新模型。

根據Lin-Forbes 模型，對太陽爆發(fā)磁重聯電流片及其周圍磁場和等離子體結構的演化進行了觀測研究，首次同時測量到磁重聯內流和外流速度，為理論研究提供最直接的觀測依據；進一步的分析和研究發(fā)現，電流片的厚度也很大，可達幾萬、甚至十幾萬千米，其中充滿了各種尺度的結構(等離子體團)，這些結構在過去的觀測和理論中都不曾被關注過。國際太陽物理界的同行們對其他事件的研究都得到了類似的結果。而磁重聯經典理論一般認為，日冕中的磁重聯電流片的厚度只有幾十米，否則能量轉換的效率太低，不能支撐太陽爆發(fā)過程中的快速能量釋放！該項目的理論研究表明，長電流片中等離子體會不穩(wěn)定性引起的湍流導致電流片中充滿不同尺度的湍流結構、允許多種磁重聯過程同時進行，厚電流片中的磁重聯也能快速進行。該項目還對發(fā)生在太陽色球部分電離等離子體中的磁重聯過程開展了數值實驗。由于色球環(huán)境不同于日冕，對計算條件進行了相應調整，包含雙極擴散、電離度、輻射冷卻、非電離平衡、多流體成分等日冕環(huán)境沒有的因素在內，使用單流體和多流體模式進行實驗和對比。結果表明，色球中的磁重聯過程也具有湍流與多尺度特征，磁重聯過程得到明顯加速。表明湍流在大尺度磁重聯過程中的普遍性，為磁重聯經典理論補充了重要內容；其次，實驗結果首次表明色球磁重聯過程可以在局部區(qū)域將溫度為幾千度的等離子體加熱到幾萬度、甚至10萬度的高溫；另外，多流體模式下磁重聯過程的加熱效果會部分受到等離子體非電離平衡狀態(tài)的抑制，但在強磁場(＞ 500 G)環(huán)境中，加熱效果仍然明顯。這些結果的意義如下：

數值實驗的結果(a)表明，發(fā)生在色球當中的磁重聯可以在局部區(qū)域將溫度 T 為幾千度的等離子體加熱到幾萬度，而且也具有明顯的湍流特征。衛(wèi)星IRIS的觀測結果(b)表明在溫度較低(幾千度)的低層大氣中普遍存在溫度較高(幾萬度)的小區(qū)域(見子圖A、B、和F中的小亮點)。這些區(qū)域出現在光球正負磁場相互靠近的區(qū)域上方(子圖C)，它們在形成溫度較低的譜線(子圖B和F)和形成溫度較高的譜線(子圖A)上均有所表現，但是在形成溫度更高(十萬度以上)的譜線上則沒有蹤跡(子圖D和E)。

第一，在經典理論框架內，一個電流片當中磁重聯過程僅以單一的方式發(fā)生，沒有考慮等離子體不穩(wěn)定性，磁重聯速率或能量釋放率基本上由系統(tǒng)初始的結構和參數決定，很難隨意提高。

第二，長電流片內部會出現多種等離子體不穩(wěn)定性，導致電流片內部出現眾多中小尺度的結構，有利于磁場的耗散；這些結構之間還會發(fā)生相互作用，磁場被進一步耗散，極大地提高了磁重聯效率。

第三，磁重聯是色球局部加熱的有效機制。觀測結果表明，太陽低層大氣中小尺度的加熱現象普遍存在；該項目從理論上解釋了觀測結果；成為國際上對該現象的主流理論解釋。該項目的代表性論文被英國IOP出版社評為2015-2017年度中國地區(qū)在天文研究領域位于前1%的高引用文章。

3） 設計出新的數值模擬，建立了新浮磁通量與日冕磁場相互作用產生纏繞結構，然后災變式地失去平衡和后續(xù)爆發(fā)的物理圖像。試驗表明，這種相互作用能夠產生可由觀測證實的理論磁場位形，并最終產生Lin-Forbes模型所描述的爆發(fā)，證實了Lin-Forbes模型的合理性。取得了如下成果：

第一，計算中，對底邊界采取與真實演化一致的方式，用隨時間變化的電場代替運動磁場，對新浮磁通量和磁螺度如何導致日冕大尺度重構過程提出全新的解釋。過去的太陽磁場全球模型則無法獲得這一結果。

第二，解釋快速CME的形成機制。新浮磁場導致爆發(fā)前日冕軟X-射線波段出現的S-形磁結構的形成，是由2個J-型結構拼接而成，不是之前認為的單S-形結構。為觀測結果提供了全新解釋，加深了對S-形結構物理本質以及可能的演化后果的認識。

第三，既能自洽地捕捉到CME發(fā)生前后磁結構的演化，展現Lin-Forbes模型中的磁位形，還可直接計算軟X-射線強度，這明顯優(yōu)于其他模型。太陽強X-射線輻射會導致地球大氣受熱膨脹，增加低軌衛(wèi)星受到的大氣阻力，降低其使用壽命。為評估太陽爆發(fā)對衛(wèi)星的影響提供了重要的理論參考。

刊發(fā)研究成果

該研究成果為太陽爆發(fā)的理論預報提供了物理基礎，作為封面文章發(fā)表在國際重量級物 理 研 究 刊 物Nature Physics上。Science編輯在刊物338卷、10月19日期的“Editor’s Choice”中將其評為“state-of-the-art”。該研究工作在“十二五”任務驗收和科學院組織的“一三五”國際診斷與評估中，被評為“取得突出貢獻的工作”，入選2012“中國十大天文科技進展”。

在該項目研究的基礎上，后續(xù)研究不斷獲得了國家科技經費的大力支持

國家973計劃 2013CBA01503：天體物理環(huán)境中高能粒子加速的實驗室研究。

國家自然科學基金 10873030：爆發(fā)日珥磁流體動力學演化的理論研究。

國家自然科學基金 11333007：日冕物質拋射及其觸發(fā)機制的理論研究和數值模擬。

國家自然科學基金 11273055：耀斑-CME磁重聯電流片的理論研究和數值實驗。

國家自然科學基金-天文聯合基金 U1631130：磁重聯電流片精細物理過程的高性能數值模擬方法研究。

中國科學院先導B合作項目 XDB09040202：太陽大氣基本結構的高分辨研究及數值模擬。

中國科學院前沿科學重點研究計劃項目QYZDJ-SSW-SLHO12:太陽爆發(fā)活動的精細電磁過程。

中國科學院“空間科學(二期)”戰(zhàn)略性先導科技專項“空間科學預先研究項目”XDA15010900:太陽爆發(fā)的抵近探測。

中國科學院A類戰(zhàn)略性先導科技專項臨近空間科學實驗系統(tǒng)專項總體技術預先研究XDA17040507：日冕儀臨近空間搭載實驗。