^☆本文源自国家自然科学基金委员会政策局2017年12月完成的《学科发展态势评估系列研究报告》之《天文学十年：中国与世界》。

太阳活动是指太阳大气中由磁场变化引起的各类等离子体加热、运动和辐射增亮现象。太阳大气中最剧烈的活动现象是日冕物质抛射和太阳耀斑,前者可抛射出巨量的磁化等离子体至行星际空间,后者可在短时间内释放出大量的高能辐射和高能粒子,它们是日地空间灾害性天气的扰动源。太阳活动的基本根源是太阳磁场,而太阳磁场由发电机产生,较集中地分布于各类活动区中,或弥散地分布在宁静区中。偏离势场的磁场可以储存能量,当磁结构的演化达到一个临界点或者受到某种触发机制的作用时,就会产生太阳爆发现象。因此,研究太阳活动的基本要素是磁场的分布和结构、太阳爆发的触发机制、能量释放过程、等离子体加热和抛射、高能粒子加速和传输、各种辐射的起源等。太阳磁场和太阳活动的研究已成为当今太阳物理和空间物理最热门的研究方向之一。

在太阳磁场和太阳活动研究领域,近10年国际上关注的热点问题主要有以下几个方面。

（1）太阳磁场分布

在过去几年,地面望远镜及空间望远镜（包括SOHO/MDI、Hinode/SOT、SDO/HMI）的磁场测量极大地推动了对太阳磁场的研究,包括宁静区磁场、活动区磁场、三维磁场外推、磁螺度计算、磁通量的活动周变化等。宁静区的磁场虽然较弱,但其总的磁通量可能超过活动区。由于偏振信号很弱,因此精确测量宁静区磁场是一个很大挑战。有关这方面的研究仍存在很大的争议。活动区磁场的测量与太阳爆发的研究密切相关。由于直接测量的是光球磁场,日冕的磁场结构则需要通过一些模型（如势场模型、非线性无力场模型等）来外推得到。基于外推的磁场,可以计算磁螺度、电流、压缩因子等参量,这些参量与太阳爆发有着密切的联系。

（2）太阳爆发的触发机制

预测和预报太阳活动的核心问题是它的触发机制。在二维情况下,太阳耀斑或日冕物质抛射起源于磁绳平衡的缺失（或称灾变）;而在三维情况下,磁绳的扭曲不稳定性、磁绳下方的缰绳截断式重联、或磁绳上方的爆裂式重联被认为是太阳爆发的可能触发因素,而磁绳的环面不稳定性则是决定爆发成功与否的关键因素。近年来,得益于SDO卫星的高空间和时间分辨率成像观测和IRIS卫星的光谱观测,科研人员在磁绳的存在证据、磁绳的基本结构、磁绳的形成过程、磁绳爆发的条件、耀斑的三维形态等方面取得了重要的观测进展。

（3）磁重联

太阳爆发的能量释放机制是磁重联,即方向相反的磁力线靠近形成一个电流片,原有的磁力线在电流片中产生断裂并形成新的联接,这个过程能快速释放出储存的自由能。磁重联是太阳耀斑加热和日冕物质抛射加速的核心机制,主要发生在日冕层。由于日冕磁场难以直接测量,磁重联发生的证据大多是间接的,例如：重联入流、出流、重联区的尖角结构、高能粒子加速等。近10年新的空间观测促进了此领域的发展,目前磁重联的证据链愈加完整。最近几年,三维磁重联研究发展迅速。在三维空间,广义上只要磁场的联接性有较大的变化（准分界层）即可产生重联,但重联点并不固定,重联的磁力线在准分界层上产生“滑动”现象。目前已有较多的观测印证了滑动重联。实际上太阳耀斑和日冕物质抛射都是三维现象。耀斑带通常是剪切的,而耀斑环会呈现从强剪切到弱剪切的演化。日冕物质抛射在三维情况下不一定非要打开上面的磁拱,从而避免了Aly-Sturrock佯谬的问题。磁重联在天体物理的其他领域也越来越受到重视,其模型大多取自于太阳。

（4）日冕极紫外（EUV）波

1997年SOHO/EIT空间望远镜发现了日冕的大尺度波动现象,命名为EIT波。近10年关于EIT波的产生机制有两种主流模型：一是快模磁流体力学波,二是磁拱拉伸产生的非波的扰动。由于分辨率的限制,SOHO时代未能证实哪种机制是主要的。自STEREO和SDO/AIA望远镜发射后,高空间和时间分辨率的观测使得对EIT波本质的争论成为一个热门课题。人们在极紫外波段逐渐发现了各类不同的波动现象,并统一改称为EUV波。经过几年的探索,关于EUV波的本质逐渐聚焦为一个图像：随着日冕物质抛射的爆发,磁拱的外侧激发出一个快模波,而磁拱的足点则驱动一个非波的扰动,即波和非波两种成分都存在,而以往的观测往往只捕捉到了其中一个成分。这样的结论使得对EUV波的争议暂时告一段落,但是有关EUV波潜在的作用,例如远程激发太阳爆发、用于日冕磁场的反演等工作仍在继续。

（5）磁流体力学模拟

得益于日益进步的计算机技术和数值计算方法,过去10年太阳磁流体力学模拟取得快速发展,三维的模拟已成为主流。由于太阳大气从对流区（磁场产生区域）到日冕（磁重联区域）的密度变化高达10多个数量级,从磁场产生到发生爆发的完整过程模拟是非常困难的。目前的模拟大多针对部分区域：局限于低层区域的磁对流模拟程序（如德国马普开发的MURaM）已能很好地模拟出黑子和活动区的形成;而局限于高层大气的模拟（如奥斯陆大学开发的Bifrost）能较好地模拟出一些小尺度活动现象,如埃勒曼炸弹、针状体等。在太阳爆发方面,比较成熟的是参数化的模拟（例如等温假设、零β假设等）;而基于观测数据和真实物理过程的模拟（数据驱动模拟）刚开始发展,将其用于实际的太阳活动预报尚有较长的路要走,主要的困难在于爆发前平衡态的建立、数值耗散的影响和物理耗散的未知等。

中国在太阳磁场和太阳活动领域的研究发展迅速。对比2005–2009年和2010–2014年两个5年期的统计数据,中国学者发表的SCI论文数量从世界排名第4上升为第3,SCI引文数量从第6上升为第4,高被引论文数量从第11上升为第5。与天文学的其他学科方向相比,中国的太阳物理研究在国际上的相对排名遥遥领先,论文数、引文数、高被引论文数3个指标的世界排名都进入了前5。可以说,中国的太阳物理研究是天文学领域的优势学科方向,也大致进入了国际先进行列。

近10年来,中国在太阳磁场和太阳活动领域研究的快速发展较大部分得益于国际上几颗重要的太阳观测卫星,如Hinode、RHESSI、STEREO、SDO、IRIS等提供的高质量的资料。由于太阳资料及时公开的特点,使得中国学者能及时跟踪和开发国际的研究热点。近年来中国学者的重要贡献包括以下几个方面。（1）磁绳的新证据。南京大学的课题组与国外合作,发现活动区爆发前（或爆发过程中）在高温EUV波段存在扭缠的“热通道”结构,很可能是磁绳存在的证据。磁绳是驱动太阳爆发的主要因素。该方面的研究获得了国际学术界的认可,并引发了较多的后续研究。（2）磁重联的证据。中国科学院紫金山天文台、南京大学、中国科学院国家天文台、中国科学院云南天文台的课题组各自利用RHESSI、SDO、STEREO卫星和中国NVST望远镜的观测,成功捕捉到了发生在日冕中、色球中以及暗条之间的磁重联过程,相关成果发表在Nature的子刊物上,为太阳爆发机制的研究提供了重要证据。（3）EIT波的机制。南京大学课题组提出了EIT波的非波模型——源于磁拱拉伸导致的足点的扰动,成为两种主流机制之一。通过数值模拟又发现了快波和非波扰动两个成分同时存在,并通过观测得到证实。该方面的研究获得了国际同行的高度重视和广泛引用。（4）太阳小尺度磁场分布和发电机。国家天文台的课题组发现小尺度磁场的分布特征,提供了局部小尺度发电机的证据。该课题组与国外合作,通过磁通量输运的发电机模型成功预测了第24活动周的强度,这是近年来最成功的长期预报工作。（5）MHD模拟。中国科学院国家空间科学中心的课题组自主开发了CESE-MHD的模拟方法,成功重构出日冕的非线性无力场,并用观测数据驱动磁场演化。该方法具有鲜明的特色,获得了国际同行的好评。事实证明,中国太阳物理的发展和地位在国际上获得了广泛认可：例如,颜毅华研究员当选为国际天文联合会第五分会“太阳和日球物理”的主席;汪景琇院士和丁明德教授担任专业核心期刊《太阳物理》的编委;张枚研究员和陈鹏飞教授应邀在国际核心期刊上撰写综述文章。

在仪器方面,中国新近研制了1 m红外太阳塔（NVST）、新一代厘米分米波日像仪 （MUSER）以及太阳爆发探测仪（ONSET）等。NVST成为国际上仅有的3台口径1 m以上的太阳望远镜之一,其余2台分别位于美洲和欧洲,因此具有地域互补的优势。MUSER的波段范围、时间分辨率、空间分辨率等指标在国际上都是领先的,已获得初步数据。此外,1 m级的中红外太阳望远镜正在研制中。地面还在推进2.5 m多功能望远镜（ISMART）、巨型太阳望远镜（CGST）,空间也在推进深空太阳天文台（DSO）、先进空基太阳天文台（ASO-S）等项目。

展望未来,太阳物理作为天文学一个传统的分支领域,如何进一步发展面临严峻的挑战。主要的问题来自研究主题的定位,未来太阳物理需要抓住两个主题：一是太阳活动作为空间天气学的源头;二是太阳爆发机制为宇宙中其他天体的爆发过程提供借鉴。未来的热点科学问题将集中在太阳发电机和太阳磁场起源、太阳爆发的机制、日冕加热机制、太阳爆发的日地空间效应等几个研究领域。除了基础研究以外,基于观测和模型的空间天气预报将成为一个重要的应用领域。在研究方法上,三维的辐射磁流体力学模拟将得到进一步的发展,数据驱动的数值模拟成为研究太阳爆发机制、预报太阳活动的有力手段。在仪器方面,追求更高的空间分辨率成为一个主要目标,4 m级的新技术望远镜（DKIST）将分辨出更小尺度（小于10 km）的磁元和元爆发过程,射电日像仪MUSER有助于诊断日冕的磁场和爆发过程。计划于2019年发射的SolarOrbiter卫星将比以往卫星更靠近太阳,预计会在太阳发电机和磁场起源、太阳爆发与高能粒子起源、太阳风起源等领域带来全新的观测资料和研究突破。

中国的太阳物理研究在近几年快速进步,特别是在观测性研究方面已居于世界前列,但是观测数据大多来自于国外的仪器。近几年,中国的太阳观测设备也有了很大提高,特别是MUSER和NVST位居国际上少数几个大型太阳观测仪器之列。因此,未来几年,一个急迫的任务是充分发挥和挖掘这些仪器的潜能,多出创新成果。相比之下,中国在理论研究方面尚显不足,特别是在辐射磁流体力学模拟方面与国际先进水平相比有较大的差距,影响了一些研究的深度。目前有关专家已开展了该领域的调研工作,并且已有几位青年学者开始崭露头角,未来中国在该领域的研究有望成为一个新的学科增长点。另外,在日震学和发电机领域,中国的研究队伍明显偏小,需要扶持和发展。总体来说,中国太阳物理的学科队伍虽然规模较小,但是其相对国际地位在天文学各分支学科中是最高的。因此,进—步支持太阳物理学科的发展,保持其在国际上的优势地位,将起到引领其他分支学科共同发展的作用,从而提升中国天文学的整体研究水平。