回顾：科学家预测日全食期间日冕变化

动图：日全食发生前，科学家预测的日全食期间日冕的变化

2017年8月21日，日全食扫过美国时，NASA卫星从太空中捕捉到了一系列图像。从日全食发生的前几天，部分NASA卫星就开始帮助科学家从地面预测日冕，即太阳外层大气在日全食过程中可能出现的现象。这些预测不仅仅测试了我们的数据预测能力，同时使日食科学家可以提前选择他们的研究目标。

加州圣地亚哥的预言科学协会是一家由NASA，国家自然科学基金会和美国空军科学研究处赞助的私人计算物理学研究公司，利用NASA太阳动力学观测台（SDO）研发一个改良数字模型，从而模拟日冕在日全食期间的变化。他们的模型使用了太阳表面的磁场观测数据，为了预估磁场如何久而久之改变日冕形状，使用了大量的超算资源。

尽管日冕与其他太阳物质分布在太阳表面，他们也能够通过扰乱近地空间显现自身存在，也就是空间天气。“为了更准确地预计太阳活动的轨迹及其潜在影响，空间天气的模型必须有描绘出日冕结构的能力。”预言科学协会主席及科学家Jon Linker说。

其中一个关键工具是在太阳活动发生之前就可以进行仿真的电脑模型。模型与观测对比的研究手段是太阳物理学的核心，太阳物理学是一门专注于太阳及其对整个太阳系的动力学影响的科学。由于无法直接测量日冕，太阳物理学家用复杂的电脑仿真来测试和验证他们的理论。

日全食对于科学来说是一个难能可贵的测试模型的机会。日全食的过程中，月亮完全挡住了太阳明亮的表面，展现出日冕的内部──这是像日冕物质喷发这类太阳喷发活动的来源地，但在平日里很难观测。研究人员将日全食中收集到的观测数据与他们的预估比较，从而评估和完善他们的日冕模型。

预言科学协会的研究人员最终用于预测2017年8月日全食的模型是当时最复杂的模型。除了SDO的太阳磁场图，它还利用了SDO对太阳暗条的观测数据。太阳暗条是太阳表面的弯曲结构，由低温致密的太阳物质组成。

较高且复杂的计算需求花费了大量时间，每一次模拟都需要上千个处理器同时工作两天。研究小组在几台超级计算机上运行他们的模型，这些超算来自德克萨斯州奥斯汀的德克萨斯高级计算中心、加利福尼亚州的圣地亚哥超级计算中心、加利福尼亚州硅谷的NASA埃姆斯研究中心附属NASA高级计算机设备的昴星团超级计算机。

图1 科学家预测的2017年8月21日的日冕状态

来源：预言科学协会/Paul Holdorf/Joy Ng

预言科学协会研发了一个能够模拟日冕在2017年8月21日日全食中变化情况的数字模型。请对比模型的预估（图1）与日全食当天的图片（图2）。

图2 2017年8月21日（日全食当天）的日冕图像

来源：预言科学协会/Paul Holdorf/Joy Ng

“从初步比较的结果来看，该模型很好地拟合了大规模日冕的发生特征。”Linker说。随着模型变得越来越复杂，它甚至能显示太阳精细磁结构与日冕大尺度结构之间的紧密联系。

在科学家测试他们模型的同时，NASA自己的日地关系观测台（STEREO-A航天器），也在放眼未来，并为日全食当天日冕的变化提供线索。随着日全食的日子逐渐接近，由于日地特定的自转速率以及STEREO-A在太阳后的位置，2017年8月12日STEREO-A看到的日冕和九天后（8月21日）的全食带几乎是一样的。也就是说，STEREO-A处在有利位置的时间大约比地球要早九天。

STEREO的关键设备包括一副日冕仪——也就是使用一片叫作掩盘的金属盘来研究日冕的望远镜。掩盘的作用就像日全食，通过遮住太阳的强光来辨别周围的日冕。

图3STEREO-A预测的2017年8月21日的日冕图像

由于日地特定的自转速率以及STEREO-A在太阳后的位置，2017年8月12日STEREO-A看到的日冕和九天后（8月21日）的全食带内看到的几乎是一样的。请对比STEREO-A的日全食预估（图3）与ESA/NASA SOHO的观测（图4）；SOHO的作用是在日全食当天分享地球视角观测到的日冕。

图4 ESA/NASA SOHO实际观测的日冕图像

日冕仪于8月12日与21日获得的图像十分相似；两者都呈现出三束光的形状。在这里，我们对比STEREO-A的日全食预估（图3）与ESA/NASA的观测（图4）—SOHO的作用是在8月21日分享地球视角的日冕。光束所在位置之间的细微差别是由于STEREO-A和SOHO观察太阳的角度的细微差异。

“8月12日与8月21日的图像上细小的差别说明太阳的大气变化十分缓慢—正如我们所料，它正逐渐走向太阳活动极小期，”Angelos Vourlidas说，他是STEREO科学小组成员，也是位于马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯大学应用物理研究所的太阳物理学家。“太阳正在沉入睡眠——但这个过程并不安静，最近一连串的太阳活动提醒着我们这一点！”

太阳活动极小期是太阳自然周期11年中活动衰弱的时期。在太阳活跃的时候，日冕的动态变化发展得过快，以至于预测技术不是非常实用。但在接近太阳活动极小期的这段时间里，预言科学协会和STEREO的日食预测都给研究人员一次改进模型的机会，并刷新我们对太阳当前活动的认识。

来源：www.nasa.gov（详见“阅读原文”）

编辑：简明

原文作者：Lina Tran

翻译：Cindy

校对：Sherry

审核：董小咚

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