The Innovation | 太阳爆发活动的数据驱动模拟
导 读
太阳爆发活动是太阳系最为壮观的天文现象，也是灾害性空间天气的主要驱动源。虽然人们已经认识到磁场在太阳爆发中起决定性作用，但是具体机制仍不清楚。近年来，连续观测数据驱动的数值模拟在太阳爆发过程的磁场重现及其物理机制分析等方面发挥着重要作用。哈尔滨工业大学(深圳)江朝伟团队及其合作者全面回顾这一新兴研究方向，并展望了其未来发展与应用前景。
图1 图文摘要
太阳活动主宰着日地空间环境的变化，特别是太阳耀斑和日冕物质抛射(也被形象地称为“太阳风暴”)等爆发性的太阳活动现象，是空间天气变化的主要驱动源。太阳风暴携带着巨量的磁化等离子体从太阳表面抛射至行星际空间，引起强烈的太阳风扰动和地磁暴，会给航空航天、导航通讯、深空探测等带来严重影响，即灾害性空间天气事件。因此，理解太阳爆发产生的机理并建立其物理模型，不仅是太阳物理的前沿课题，也是实现空间天气准确定量预报的重要前提。
图2 日冕磁场演化的数据驱动模式
数值模拟是定量研究太阳爆发活动的重要方法，但传统的模拟研究普遍采用过于简化或理想化的模型，无法刻画太阳爆发的真实磁场结构及其复杂演变过程。近年来，采用观测数据驱动的数值模拟在太阳日冕磁场演化与爆发的研究中得到了快速发展和应用。数据驱动模拟主要以太阳表面(即光球)的观测量作为输入参量，以静态外推方法获得的三维磁场作为初始状态，采用自洽的物理模型并结合最新的数值计算技术，再现太阳大气磁场的真实结构和演化(图2)。
数据驱动模拟采用的物理模型根据复杂程度主要分为三类：描述准静态慢速演化过程的磁摩擦模型、刻画日冕低等离子体β(热压与磁压之比)特性的零β模型、以及更全面的磁流体动力学模型(即MHD模型)。不同模型采用的边界条件处理方法各不相同，例如采用观测磁场直接输入、以光球速度场作为主要驱动、采用反演电场作为输入等。作者对各类模型以及边界条件处理的技术难点、解决方法等方面进行了详细的评述。
图3 一次X2.1级耀斑爆发的观测与数值模拟对比图
数据驱动模拟在刻画日冕复杂磁场形成与演化、揭示爆发物理机制等方面具有极大优势：例如，能够完整的追溯日冕磁通量绳的产生历程、分析光球运动对其形成的具体作用、诊断不稳定性，真实再现其爆发的三维磁场演化(图3)。
图4 数据驱动模拟揭示爆发产生机制
利用连续观测的磁图数据驱动的MHD模拟，能够自洽的刻画光球磁场快速浮现导致爆发过程的全景，揭示关键磁拓扑分割面对触发爆发的重要作用(图4)。
图5 数据驱动模拟重现太阳暗条爆发的动力学行为
数据驱动模拟能够准确重现太阳暗条爆发由慢速抬升到快速抛射的典型动力学行为，揭示出磁通量绳的非轴对称性在抑制爆发中的作用(图5)。
图6 数据驱动模拟发现具有扭缠结构磁岛形成的快速磁重联
借助高分辨率模拟，首次在太阳耀斑中发现具有扭缠结构磁岛形成的快速磁重联，重现了电流片及其内部等离子团的形成过程(图6)。
这些基于数据驱动模拟的研究显著拓展了人们对日冕三维磁场复杂性的认知，不断刷新对太阳爆发物理机制的精准理解。
图7 太阳爆发的新一代数据驱动模式
总结与展望
随着国内外多个太阳探测卫星如“帕克”、“羲和”、先进天基太阳观测台(ASO-S)相继逐日，人类也进入了第25太阳活动周，对太阳活动的研究将越来越活跃。这也将使数据驱动模式进入快速发展、发挥更大更重要作用的“新时代”。未来，我们将从模拟物理过程的全面丰富、计算方法和软硬件的持续改进升级、模拟区域的内外拓展以及时空演化的多尺度覆盖等诸多方面努力，使模拟能力与快速发展的观测能力相匹配，发展出多尺度耦合、多源数据融合、高效精准的新一代数据驱动模式(图7)，构建太阳活动的数字实验室，开辟太阳物理研究的新途径，为空间天气数值预报奠定重要基础。
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00032-7
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第三期以Review发表的“Data-driven modeling of solar coronal magnetic field evolution and eruptions” (投稿: 2022-01-10；接收: 2022-03-18；在线刊出: 2022-04-01)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100236
引用格式：Jiang C., Feng X., Guo Y., et al. (2022). Data-driven modeling of solar coronal magnetic field evolution and eruptions. The Innovation. 3(3),100236.
作者简介
江朝伟，哈尔滨工业大学（深圳）空间科学与应用技术研究院教授。主要从事太阳爆发活动机制与建模研究，开发了高性能的自适应时空守恒数值磁流体格式和一整套日冕三维磁场重构的新方法；基于自主发展的超高精度数值模拟方法揭示太阳爆发产生的基本物理机制，显著推动了太阳爆发理论的发展；在国际上率先开展太阳爆发活动观测数据约束与驱动模拟研究，使得该方向进入定量研究太阳爆发的国际前沿。在《自然天文》、《自然通讯》等权威期刊发表70余篇论文，多次在国际重要会议做特邀报告，曾获美国地球物理学会BASU青年科学家奖、中国空间天气科学青年创新奖、国家自然科学基金委优秀青年基金资助。
Web: https://www.researchgate.net/profile/Chaowei-Jiang
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The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球44个国家；每期1/4-1/3通讯作者来自海外；已被95个国家/地区作者引用。目前有190位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外；包含1位诺贝尔奖获得者，31位各国院士；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI等数据库收录。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation致力于在海内外各平台推广作者文章。
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