科学家 看清太阳表面的“蛋花”

科学技术 2020-07-3182未知admin

  如果用口径足够大的望远镜看太阳,会发现什么?

  当分辨率达百公里以下,人们可观测到悬浮于日冕中的冷物质团——日珥有着极精细的结构,由很多看起来像蛋花的细丝构成。而且,这些“蛋花”每时每刻都在运动,一部分向左,另一部分向右,方向交替出现。

  精细的结构从何而来?什么因素决定了日珥细丝的运动方向?借助数值模拟,学的研究人员发现,这些现象与太阳表面的湍流运动以及密切相关,有关日前发表于《自然-天文学》。科学家

  “日珥的形成与太阳的色球层加热有关,日珥的爆发与太阳耀斑和日冕物质抛射也有关联,这些都是太阳物理学研究中的热门话题。”论文通讯作者、学天文与空间科学学院教授陈鹏飞表示。

  格格不入:悬浮在百万摄氏度中的冷物质团

  

  日冕是太阳的最外层大气,悬浮其中的冷物质团被称为日珥,如左图。当日珥从太阳侧边转到日面时,因呈现出黑色条状结构而被称为暗条,如右图。科学家(研究者供图,右图由中科院云南天文台拍摄)

  从内到外,太阳表面外的大气可分为光球层、色球层和日冕三部分。日冕温度高达百万摄氏度,其中经常悬浮着只有几千摄氏度的冷物质团。当这些冷物质团位于太阳侧边时,因形似耳环而被命名为日珥。

  当日珥移到太阳表面,人们观测到的样子呈暗黑色长条状,日珥因此也被称为暗条,这也是研究人员最常遇到的观测形态。

  “日珥是太阳物理学领域的热门研究对象,人类历史上对日珥的观测可以追溯到12世纪。然而,是什么导致了它的细丝结构?什么原因让细丝时刻处在运动中?这些问题一直没有很好地解决。”论文第一作者周雨昊告诉《中国科学报》。目前,周雨昊已从学毕业,在比利时鲁汶大学从事博士后研究工作。

  为了探寻日珥结构及其运动之谜,陈鹏飞等人提出设想:日珥的细丝结构是否与太阳表面的湍流运动有关?

  湍流运动会导致太阳表面的物质被随机加热,使得表面物质不均匀地蒸发,进而导致细丝结构的产生。也正是随机蒸发的过程,使得细丝总处于随机扰动之中,从而出现忽左忽右的运动方向。

  为了验证这一设想,研究团队需要模拟日珥细丝结构的形成和动态变化过程。科学家

  降维模拟:用计算机语言表达不均匀性

  

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  日珥精细结构形成的数值模拟结果。背景是太阳表面,暗黑细长结构为日珥。(研究者供图)

  日珥具有复杂的三维结构,体量庞大,其宽度为地球的数倍,长度可达地球的几十倍。而模拟日珥的形成及其内部的精细结构,高空间分辨率是硬性要求。若对日珥进行三维模拟,受计算能力,空间分辨率就无法,这也是验证设想的难点所在。

  在学高性能计算中心,陈鹏飞等人另辟蹊径。凭借先前的研究积累,他们将模拟单个暗条细丝形成过程的一维磁流管模型扩展成二维磁流片。

  “一维情况下是一条细丝,二维就是一排,这样才能再现出观测时看到的相互的细丝结构。”周雨昊表示。

  利用此二维模型,在磁流片的足点引入湍动加热,然后计算整个系统发生的变化。将模型生成的辐射图与实际观测到的辐射图进行对比后,研究人员发现模拟结果与观测结果非常一致:单个日珥细丝的长度可达3万公里,平均宽度为100公里,交替方向运动速度约为12公里每秒。

  另外,陈鹏飞等人还发现:日珥细丝的与日冕中的磁力线基本一致。因此,可据日珥细丝的判断日冕中难以测量的方向。他们还在研究中预测:日珥细丝间的高温物质也时刻存在交替方向的流动,速度可达100公里每秒。

  连日来,在各方面的积极召和全面部署之下,陈永锵、李劲堃、韩磊、欧凯明、郑国江、苏春梅、黄俊英、林帝浣等名家、专业人士,以及来自基层的干部群众全情投入,新作频出。

  有趣的是,讲述研究背后的故事时,陈鹏飞还特别提到了女科学家。“在许多研究领域,女科学家可能只占少数,但在日珥研究领域情况正好相反。2012年莎拉·马丁博士到访南大时,我曾对她说:‘如果每个太阳现象都有一个性别的话,日珥一定是女性。’”

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  *作者注:天文学者莎拉·马丁(Sara Martin)一生都致力于日珥(暗条)研究,她是暗条手征性的提出者,在该领域作出了一系列重要贡献。

原文标题:科学家 看清太阳表面的“蛋花” 网址:http://www.guodingnet.cc/a/kexuejishu/2020/0731/153707.html

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