超级计算机揭示太阳黑子细节

马达

美国国家大气研究中心（NCAR）和德国马克普朗克太阳系研究所（MPS）的科学家联合使用超级计算机揭开了太阳黑子的神秘面纱，他们将把研究推进到太阳的内部机制及其对地球的影响。
太阳黑子是太阳表面的典型标志，是和太阳耀斑以及带电等离子体的物质抛射联系在一起的强烈的磁活动的表现形式。太阳黑子也可以主导太阳输出量的变化，进而影响地球上的天气和气候类型。因为他们是沿着磁力线形成的，太阳黑子成对产生，在形成它们的磁力线圈的两端，并呈现相反的磁性。

太阳黑子的本影（暗中心）和半影（较亮的外部区域）之间的交界面显示出复杂的结构，狭窄的几乎水平的（较亮到白色）纤维状结构埋藏在相对垂直方向（较暗到黑色）的背景磁场中。更远处，延伸的水平场是占据主导地位的。影像提供：[size=-2]UCAR/Matthias Rempel/NCAR.

自从太阳黑子在约一百年前被发现后，科学家一直在努力了解太阳黑子的复杂性。在最新一代超级计算机上，采用太阳本身的观测资料，对太阳黑子对的新的高分辨率模拟将奉献一个了解太阳内部机制和对地球影响的窗口。
“这是我们首次得到整个太阳黑子模型，”论文的第一作者Matthias Rempel说，该论文发表在本周的《科学快讯》上。“如果你要了解地球大气系统的所有驱动机制，你必须要了解太阳黑子如何出现和演化。我们的模拟将推进对太阳内部机制以及太阳输出和地球大气之间联系的研究。”
模型捕捉到磁性相反的太阳黑子对，并且显示出中央暗区域－本影内没有预料到的细节－有较亮的本影点，长而窄的纤维网络向着周边的半影区域流出。除了物质流，模型也记录到太阳黑子下面的传输流以及能量的运动，这些不能被设备直接探测到。这些模型表明，太阳黑子内的磁场需要在某个方向被倾斜，为了产生如此复杂的结构，引导作者得到结论，结构是有变化特征的磁场内的传输的结果。

这幅图首次显示了太阳黑子表面之下发生的事件。较浅或较亮的颜色表示较强烈的磁场力，在两个太阳黑子表面之下的交叉区域。影像提供：[size=-2]UCAR/Matthias Rempel/NCAR.

尽管新模型的细节比以前的模拟远为丰富和真实，但是研究人员仍然谨慎地说，他们的模型还不能精确地捕捉到半影内纤维的长度。细化模型需要比当前能够提供的更加强大的计算能力－在50000乘100000公里，深度6000公里的三维模拟区域内进行了每秒76兆次的计算。在模型内，太阳黑子动力学－包括能量转移、流体动力学和磁场诱导的信息－在18亿个格点上进行了模拟，每个格点分开约16到32公里。

“超级计算机能力的进步使得我们接近太阳某些最基本的过程，”Michael Knolker说，他是NCAR的高度观测站的领导，也是论文的合作者。“通过这次有突破意义的模拟，全景式的综合物理图景正在浮现出来，包括和太阳黑子在太阳表面的外观、形成、动力学以及衰变有关的一切机制。”