我国行星际扰动传播研究取得系列进展

2011-11-07 09:41 来源: 科学时报
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数值模型网格系统和太阳风暴事件扰动传播示意图

  太阳风暴从爆发到最终影响地球,需要三四天时间。按照过去的模拟计算模型和计算机运算速度,在人们计算出太阳风暴对地球影响的结果前,太阳风可能早已到达地球了。

  如何提前几小时或几天,快捷有效地预报空间天气,不仅是空间天气研究的重要课题,也是现代科技发展对空间天气预报的重大需求。

  新模型为预报提速

  “建立模型的目的,是希望将来能像地球天气预报一样,对空间天气进行精准预报。”中科院空间中心研究员冯学尚对本报记者说,“国际空间天气预报有几种模型,但在涉及南北极时面临无法表示、不能解决奇性与收敛性问题的窘境。”

  冯学尚解释说,日地空间是个巨大的系统。人们常用球坐标系来描述太阳风暴在其中传播过程,但是在球坐标系中,极区会遇到分母为0的情况,这时就无法进行数值表达与计算。 “这只是空间的几何表达问题,实际物理空间中并没有这样的问题。”冯学尚说:“这是建立太阳风等诸多数值模型都无法回避的问题。”

  冯学尚等人建立了观测数据驱动的太阳风三维数值新模型。该新模型在适合太阳风暴传播的日地空间球壳计算区域上建立了并行自适应模式,将计算区域分为六片对等的区域,首次实现了经度纬度方向并行和多面体网格下的自适应,很好地克服网格在两极的奇性与收敛性问题。

  在此基础上,我国科学家提出两种太阳风暴到达地球轨道时间的预报模型:激波传播模型和数据库模型。预报试验表明,这些模型对太阳风暴的预报精度相当或优于目前流行的其他模型(如美国空间天气预报中心目前所用的几个模型)。

  “我们将计算区域分成多片后,计算速度大大提高,计算时间比原来缩短了一半。”冯学尚说,“太阳风暴从暴发到抵达地球,一般要3天到3天半时间,如果某一模型的计算时间用4天,那就失去了意义。我们现在计算太阳风暴从太阳传播到地球空间,只需20多个小时。我们正在发展一种在10小时内就能完成的更快捷、有效的数值方法。”

  “国际同行认为,冯等人发展的模型是当前国际上最先进的三类数值模型之一。他们的工作已引起国际同行的密切关注,多次应邀在国际会议上作邀请报告,并开展多国间的合作研究。”中科院院士魏奉思对本报记者说。

  搞清基本物理问题

  “三维数值预报是对整个日地空间的预报,它需要搞清很多空间物理基本科学问题。”冯学尚说。

  近年来,我国在以磁云为代表的行星际扰动传播研究方面,无论是数值模拟、动力学相互作用过程还是磁重联、多重磁云研究都站在国际前沿,取得了有一定影响的重要进展。

  磁重联是行星际空间普遍存在的一种重要的动力学过程,我国学者在此基础上提出磁云边界层新概念、新定义和新机理。数值模拟结果发现,磁云的前后边界层可通过磁重联机制形成。我国学者首次发现磁云边界层是行星际空间除激波间断面之外的另一种新的非压力平衡结构。当磁云边界层扫过地球,有时也会产生重要的地磁、电离层空间天气响应变化。

  在分析近百个行星际磁云边界层的卫星资料后,研究者首次在磁云边界层附近严格认证了一例典型的慢激波事件以及一例行星际双间断事件。这是自1957年卫星上天至今的50多年里,非常罕有的慢激波观测报导。

  国际同行在评价该研究时认为,这是“对空间物理的一个很重要贡献”。中国学者“试图探讨行星际物理中一个困难的、长期的问题……”

  “多重磁云是产生强地磁暴的一种重要的行星际起因。”中国科学技术大学教授汪毓明对本报记者说,“多重磁云是多个CME相互追赶在行星际空间中形成的一种较特殊的复合抛射结构。多重磁云由于相互作用,增强了磁云内部磁场强度、密度等关键的物理量,使得其地球效应更加显著。”

  研究者利用数值模拟了多重磁云在行星际空间的形成和演化过程,研究了具有不同抛射速度的磁云在行星际空间中的传播过程。相关研究也得到国际同行高度评价,并获2008年中国地球物理学会傅承义青年科技奖。

  在行星际扰动传播研究领域,我国学者在自然现象、特性和规律方面找到具有重要原创意义的5个发现点;在研究方法方面提出和发展了8项新方法。该领域的研究被数十个国家的研究者进行了广泛引用和评论。部分成果已获得国家自然科学奖、何梁何利奖和赵九章奖等。

  从数值模拟到数值预报

  “卫星观测只能看到某一点或某几点上的情况,而多重磁云、激波—磁云相互作用体等行星际复合抛射结构是大尺度结构,因此我们需要数值模拟方法来还原它们的形成、传播、演化过程,及其对地效应。”汪毓明说,“另一方面,在太阳较活跃的年份,行星际空间充斥着这类复合抛射结构。对其进行数值模拟研究,对于提高空间天气预报水平有重要意义。”

  “飞船不可能到空间中所有地方,但数值模拟可以做到。利用天基和地基的观测输入和对物理的过程认识,太阳风暴的日冕行星际过程的三维数值研究已经成为灾害性空间天气数值预报的重要手段,我们在近几年已取得了很大的发展。”冯学尚说。

  随着日地空间探测发展和人们对日地空间天气基本物理过程了解的不断深入,将更多观测和对新物理过程的认识融入数值预报模型,建立由观测约束驱动的、快捷高效稳定的、高时空分辨率的日地空间天气全球耦合数值预报模型,是发展未来空间天气数值预报模型研究的努力方向。

  “数值预报空间天气已经起步,不久的将来就会像地球天气预报一样,走到数值预报的阶段,满足人类对空间天气预报的需求。”冯学尚说,“目前我们还欠缺关键区域的观测数据和对物理过程的全面了解。我们期盼在不久的将来,发展先进的数值模拟方法,向人们展示日地空间乃至太阳系空间天气变化的精美画面。”