新的计算机模拟，显示出太阳磁场真实的一面

其实，我们并没有切身的感受过恒星原始的、狂暴的、自然的力量。在简单的观测中，我们的太阳可能看起来是温和的，但随着现代先进的科学仪器的使用，我们现在知道的情况却有所不同。在我们眼睛所能看到的狭窄光带之外的观测中，太阳看起来像一个被激怒的球体，偶尔会向太空中喷射出巨大的等离子体，其中一些会撞向地球。

上图：类太阳条件下磁结构的计算机模拟。

等离子体喷流撞击地球可不是什么值得庆祝的事情，它会引起各种各样的问题。

一些科学家致力于研究太阳，部分原因是它带来的危险。如果能知道太阳什么时候会发脾气，我们是否会在它的路径上，那就太好了。人类现在有多个航天器专门研究太阳的细节。太阳动力学观测台（SDO）、太阳和日光层观测台（SOHO）和帕克太阳探测器都从事太阳观测。

上图：太阳动力学天文台（左）、太阳和日球层天文台（中）和帕克太阳探测器（右）。

尽管科学家们仍在研究细节，但太阳强大的磁场在太阳爆发中发挥了巨大作用。发表在《自然天文学》上的一项新研究正在帮助科学家更详细地了解磁场。它的标题是“小规模发电机接近太阳磁普朗特数的数字证据”，第一作者是马克斯·普朗克太阳系研究所（MPS）的高级博士后研究员约恩·沃内克（Jörn Warnecke）。

“太阳发电机（solar dynamo）”是太阳磁场的来源。太阳发电机有两部分：小规模发电机（SSD）和大规模发电机（LSD）。但是，太阳研究人员还无法建立它们的模型，至少还没有完整的细节。而且，他们无法确认小规模发电机是否可以在太阳的条件下产生，而事实上，小规模发电机在整个宇宙的天体中无处不在。这显然是一个大问题，因为一个小规模发电机会对太阳的行为产生巨大的影响。

“一个强大的 SSD 可能会对太阳的动力学过程产生巨大的影响，”作者在论文中写道。因此，弄清 SSD 是否可以存在于太阳上非常重要。

小规模发电机（small-scale dynamo）是什么？

根据这项研究，小规模发电机（SSD）放大磁场的尺度小于各种天体物理介质中湍流的驱动尺度。你可能很快就会掉进兔子洞，试图详细理解这一点。但简单来说，SSD需要比大规模发电机更强的湍流。

这一切都归结为所谓的普朗特数（PrN），以及太阳的普朗特数告诉我们它的性质。太阳的 PrN 告诉我们它的磁场变化有多快，它的速度有多快。太阳的 PrN 很低，很长一段时间以来，研究太阳的科学家们认为，低 PrN 阻碍了 SSD 的发展。

但这项研究的结果却恰恰相反。它基于芬兰和德国的千万亿级超级计算机上的大规模计算机模拟。

上图：该研究中的此图是流速和SSD解决方案的可视化。流速在左边，磁场强度在右边。这次模拟运行的特点是普朗特数非常低。作者解释道：“正如低PrM湍流所预期的那样，流动表现出比磁场更精细的分形结构。”。

阿尔托大学计算机科学系的天体信息学小组组长兼副教授玛利特·科皮-拉格（Maarit Korpi-Lagg）说：“使用目前可用的最大规模的计算模拟之一，我们实现了迄今为止最逼真的发电机建模设置。我们不仅证明了小规模发电机（SSD）的存在，而且随着我们的模型更接近太阳，它变得更可行。”

普朗特数的低值意味着，太阳的等离子体速度和磁场变化很快就会平衡。它们平衡得越快，形成SSD的可能性就越小。通过发现事实并非如此，太阳上的条件可以产生SSD，科学家们对太阳、它的磁场和等离子体喷射的理解只会加深。这对我们这些生活在太阳抛射路径上的人来说是件好事。

上图：2011年6月7日，太阳动力学天文台观测到的日冕物质抛射。日冕物质抛射从太阳的日冕喷出等离子体。

MPS的高级博士后研究员约恩·沃内克说：“这是了解太阳和其他恒星磁场产生的重要一步。这一结果将使我们更接近解决 CME 形成之谜，这对于设计保护地球免受危险空间天气影响非常重要。”

许多天文爱好者都知道，太阳的磁场以11年为一个周期运行。每隔11年，太阳的两极交换位置，这就改变了太阳的行为。喷发、太阳耀斑和日冕物质抛射在太阳活动周期的中期增加，这被称为“太阳极大期”。由于太阳的喷发会破坏地球上的通信、电网和其他基础设施，科学家们希望更好地了解它。

上图：这张照片描绘了最近11年的太阳周期，在紫外线下显示了太阳。太阳活动的最大值出现在周期的中间，太阳明显地表现出更多的活动。

SSD和LSD之间的相互作用创造了太阳周期，因此，这些发现有助于更好地了解太阳天气，以及我们可能会在什么时候预期到即将到来的混乱。

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