【哈工大（深圳）宣】（江朝伟/文、图）近日，哈工大（深圳）空间科学与应用技术研究院空间在太阳爆发研究领域取得新突破——利用超高精度数值模拟揭示了太阳爆发活动的普适机制，相关成果以《A Fundamental Mechanism of Solar Eruption Initiation》为题发表于《Nature》子刊《Nature Astronomy》（影响因子：14.437）。

哈工大（深圳）空间科学与应用技术研究院江朝伟教授为论文发表第一作者、共同通讯作者，空间科学与应用技术研究院冯学尚教授为共同通讯作者，哈工大（深圳）为第一作者单位。该项目受国家自然科学基金、中国科学院先导专项、深圳市科创委等资助，合作单位包括中国科学技术大学、云南天文台、中山大学以及美国阿拉巴马大学等。

太阳爆发活动，主要包括太阳耀斑和日冕物质抛射，是太阳系最为壮观的天文现象，同时也是灾害性空间天气的驱动源，会对高科技活动如航空航天、导航通讯、深空探测等产生严重影响。自1859年首次观测到太阳耀斑以来，人们逐渐认识到太阳爆发活动的本质是日冕中磁场能量的急剧释放过程。然而，太阳爆发的物理机制至今仍然是一个未解之谜。现存的两种传统理论——磁通量绳系统的不稳定性和磁多极场的裂爆也很难应用于一般情形。

空间天气风暴研究团队基于自主发展的数值模式，实现了太阳爆发的全三维10-5分辨率的超高精度磁流体力学模拟，并揭示出一个更加简洁的爆发机制。这一工作采用太阳爆发源区最普遍存在的双极磁场，以最常见的光球剪切流作为驱动，自洽地模拟了日冕磁场能量从缓慢积累到急剧释放而爆发的全部过程（图1）。该模拟显示，在准静态的光球剪切驱动过程中，磁拱的内部会自发形成强电流薄层（即电流片）；磁重联一旦开始，就立即触发爆发，形成日冕物质抛射和激波，同时电流片也迅速撕裂形成复杂的湍动结构。进一步分析发现，爆发的主要驱动力是通过重联后新形成磁力线的磁张力（类似于弹弓的弹射），而不是传统理论所认为的磁压力。

相比于传统理论，这一模型需要的假设最少，又能重现极为复杂丰富的爆发特征，吻合“奥卡姆剃刀”原理，具有普适性。该项成果受到了《Nature Astronomy》多个审稿人的重要评价，例如“开创性工作（the present work is groundbreaking）”、“太阳爆发研究领域重大进展，最详细、严谨的数值模拟工作之一（one of the most detailed and careful numerical investigations of the key mechanisms behind solar eruptions. …, a significant step forward in the field）”、“将改变现有的研究范式（This would be a paradigm change away from the currently most frequently considered mechanisms）”等。法国著名太阳物理学家Guillaume Aulanier为此专门撰写了《Nature Astronomy》评述文章《The return of the jet》，指出这一工作解决了一个困扰太阳物理领域几十年的问题。这一成果将对太阳爆发的理论研究起到重要的推动作用，并对发展基于物理的太阳爆发和空间天气预报模式具有重要的理论指导意义。

图1：太阳爆发产生过程的全三维超高精度模拟。(a) 不同时刻的电流切片图，其中在第三个时刻标出了爆发过程中产生的磁通量绳（MFR）及其下方的电流片（CS）和上方的激波（Shock）；(b) 不同时刻的速度切片图，图上标出了每个时刻对应的最大速度和阿尔芬马赫数；(c) 爆发过程中形成的磁通量绳的三维结构（左）和湍动重联电流片的三维结构（右）。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41550-021-01414-z

【团队简介】：

空间天气风暴是发生在太阳大气、行星际空间以及地球磁层、电离层、热层等关键区域的突发性爆发活动。空间天气风暴发生时往往引发灾害性空间天气事件，引起日地系统电磁及等离子体环境的剧烈扰动, 严重危害甚至损毁人类赖以生存的高技术系统，影响国家经济和国家安全保障的方方面面，包括航空航天、通信、导航、输电网、长距离油气管道输送、军事安全等。

空间天气风暴研究团队由魏奉思院士、冯学尚教授领衔，瞄准国际空间天气科学发展前沿，为有效应对空间灾害性天气事件做出国际一流贡献。逐步将实验室打造成在空间天气领域有重要国际影响力的著名科学中心以及空间天气创新型人才培养基地。研究方向包括空间天气风暴基本物理过程以及灾害性空间环境变化过程和变化规律研究，并面向国家对空间天气应用服务的需求，开展空间天气建模研究。团队开发了SIP-CESE太阳风数值模式，被同行公认为是国际上三个主流太阳风模式之一；发展了国际上首个数据驱动太阳爆发模式；近年来在《Nature》子刊等顶级期刊发表百余篇有重要影响力的论文。（编辑 吴锐婵）