太陽風來自哪裡

（頂部面板，從左到右）2012 年 7 月 12 日，分別在 STEREO B Cor2、SOHO C2 和 STEREO A Cor2 日冕儀中看到的日冕物質拋射。（下圖）相同的影象與模型結果重疊。圖片來源：Talwinder Singh、Mehmet S。 Yalim、Nikolai V。 Pogorelov 和 Nat Gopalswamy

研究人員使用超級計算機開發新軟體以改進空間天氣預報。

太陽表面充滿能量，經常向地球噴射大量高磁化等離子體。有時，這些彈射的強度足以擊穿磁層——保護地球的天然磁遮蔽——破壞衛星或電網。這種太空天氣事件可能是災難性的。

幾個世紀以來，天文學家對太陽活動的研究越來越深入。今天，計算機是瞭解太陽行為及其在空間天氣事件中的作用的核心。

2020 年 10 月透過的兩黨

PROSWIFT（促進空間天氣研究和觀測以改進明天的預測）法案

正式確定了開發更好的空間天氣預報工具的必要性。

阿拉巴馬大學亨茨維爾分校空間科學傑出教授尼古拉·波戈雷洛夫 （Nikolai Pogorelov） 一直在使用計算機研究太空天氣，他解釋說：“太空天氣需要實時產品，這樣我們才能在事件發生之前預測影響，而不僅僅是事後。”幾十年。“這個主題——與國家太空計劃、環境和其他問題有關——最近升級到了更高的層次。”

對許多人來說，太空天氣似乎是一個遙遠的問題，但就像一場流行病——我們知道這是可能的和災難性的——我們可能直到為時已晚才意識到它的危險。

Pogorelov 說：“我們沒有考慮到這一點，但極端空間天氣效應會影響電氣通訊、GPS 和日常小工具。”

此外，美國正在計劃前往其他行星和月球的任務。所有這些都需要對太空天氣進行非常準確的預測——用於航天器的設計和提醒宇航員注意極端事件。

在美國國家科學基金會 （NSF） 和NASA 的資助下，Pogorelov 領導了一個團隊，致力於改進最先進的空間天氣預報。

由等離子體溫度著色的赤道切片中的磁場線穿過的日冕物質拋射。圖片來源：2020 年 4 月太空天氣 （DOI：10。1029/2019SW002405），美國地球物理聯盟

“這項研究融合了複雜的科學、先進的計算和令人興奮的觀測，將增進我們對太陽如何驅動空間天氣及其對地球的影響的理解，”大氣和地球空間科學部空間天氣專案主任 Mangala Sharma 說。美國國家科學基金會。“這項工作將幫助科學家預測太空天氣事件，並建立我們國家對這些潛在自然災害的抵禦能力。”

多機構的努力涉及美國宇航局戈達德和馬歇爾太空飛行中心、勞倫斯伯克利國家實驗室以及兩傢俬營公司 Predictive Science Inc。 和 Space Systems Research Corporation。

Pogorelov 使用德州高階計算中心 （TACC） 的 Frontera 超級計算機——世界第九快——以及美國宇航局艾姆斯研究中心的美國宇航局高階超級計算 （NAS） 設施和聖地亞哥超級計算中心，以提高空間天氣預報核心的模型和方法。

湍流在太陽風和日冕物質拋射的動力學中起著關鍵作用。這種複雜的現象有很多方面，包括衝擊-湍流相互作用和離子加速的作用。

“太陽能等離子體不處於熱平衡狀態。這創造了有趣的特徵，”Pogorelov 說。

2021 年 4 月，Pogorelov 與 Michael Gedalin（以色列內蓋夫本古裡安大學）和 Vadim Roytershteyn（空間科學研究所）在《

天體物理學雜誌》

上撰文描述了迴流拾取離子在宇宙中帶電粒子加速中的作用。 星際或本地來源的迴流離子被磁化的太陽風等離子體拾取並從太陽徑向向外移動。

“一些非熱粒子可以進一步加速以產生太陽高能粒子，這對地球上的太空天氣條件和太空中的人們來說尤其重要，”他說。

Pogorelov 對 Frontera 進行了模擬，以更好地理解這種現象，並將其與航海者 1 號和航海者 2 號的觀測結果進行比較，航海者號探索了日球層的外圍，現在正在提供來自當地星際介質的獨特資料。

空間天氣預報的主要焦點之一是正確預測日冕物質拋射的到來——從日冕釋放等離子體和伴隨的磁場——並確定它攜帶的磁場的方向。Pogorelov 團隊對迴流離子的研究有助於做到這一點，2020 年發表在《

天體物理學雜誌》

上的工作也是如此，該工作使用基於磁通繩的磁流體動力學模型來預測到達地球的時間和 2012 年 7 月 12 日日冕質量的磁場配置彈射。（磁流體動力學是指等離子體等導電流體的磁性和行為，它在空間天氣動力學中起著關鍵作用）。

插入內邊界 R = 0。1 AU 的日冕物質拋射的磁場線配置，用紅色球體顯示。圖片來源：Talwinder Singh、Tae K。 Kim、Nikolai V。 Pogorelov 和 Charles N。 Arge

“十五年前，我們對星際介質或太陽風的特性知之甚少，”Pogorelov 說。“我們今天有很多觀察結果，這使我們能夠驗證我們的程式碼並使它們更加可靠。”

Pogorelov 是帕克太陽探測器上一個名為 SWEAP（太陽風電子、質子和阿爾法儀器）的板載元件的聯合研究員。在每次軌道上，探測器都會接近太陽，提供有關太陽風特徵的新資訊。

“很快它就會突破太陽風變成超快磁聲波的臨界球體，我們將獲得關於太陽風加速和傳輸物理學的資訊，這是我們以前從未有過的，”他說。

隨著探測器和其他新觀測工具的出現，Pogorelov 預計會有大量新資料，這些資料可以為與空間天氣預報相關的新模型的開發提供資訊和推動。出於這個原因，除了基礎研究外，Pogorelov 正在開發一個靈活的軟體框架，可供世界各地的不同研究小組使用，並且可以整合新的觀測資料。

“毫無疑問，在未來幾年，來自光球層和日冕的資料質量將得到顯著提高，這既是因為有新的資料可用，也有新的、更復雜的資料處理方法，”他說。“我們正在嘗試以一種方式構建軟體，如果使用者從新的科學任務中提出更好的邊界條件，他們將更容易整合這些資訊。”