执日珥牛角/研太阳物理

       日珥，太阳边缘的突起物，“千姿百态”，“玫瑰红色的火舌”，“似浮云、似流水、似烟花、似鹊桥”。这些诗一般的渲染更为其蒙上了一层神秘甚或浪漫的色彩。

       简单而言，日珥是太阳大气中“冷而重”的物质，周围都是“热且轻”的气体----“油炸冰激凌”有没有？！

       “油炸冰激凌”是太阳物理科普教育中常用的一个比方。通常是用来指光球---日冕这一组合的：光球温度在5000-6000度，位于百万度的高温日冕(太阳外层大气)之中，正如同置于热油中的冷核，因此得名。而日珥与日冕的相对配置，也很类似。日珥温度亦在5000多至上万度，被百万度高温日冕所包围，也可视为一个被“油炸”的对象。

两张日珥照片及油炸冰激淋示意。(http://nsosp.nso.edu/sites/nsosp.dev.nso.edu/files/pictures/hdgrowprom.jpg;http://www.mpe.co.uk/wp-content/uploads/2012/02/solar-flares.jpg)

       这两例“油炸冰激凌”现象构成了太阳物理要研究解决的重大问题之一二：日冕是如何加热的？日珥是如何形成和维持的等。

日冕与光球-色球之间的区域，也就是日冕加热的关键场所，称为过渡区。同样，在任何日珥与日冕接触的区域，都存在一个过渡区：日珥-日冕过渡区(PCTR)。因此，也可认为日珥有关问题其实是日冕加热大问题的一个部分或缩影(日珥有时被视为日冕加热过程的一个产物，见下面冷凝说)。日珥本身复杂多样的动态行为，也意味着所谓日冕加热问题不会有一个单一的“最优解”，而事实上应该是一组复杂的多场景解。

就日珥的形成而言，一种观点认为，一方面日冕高温气体得到持续的加热，另一方面，它们也在不断向外辐射而致冷释能，如前者不足以抵消后者的能量损耗，日冕气体就会冷凝---降温的同时密度升高---而密度增高又会进一步强化辐射致冷---这一正反馈对应于热辐射不稳定性过程，并最终形成日珥---冷凝说；另一种观点认为，日珥中的冷物质是从光球下方浮现上来的―浮现说，很直接的解释；还有观点认为日珥是由光球冷物质沿磁流管以日浪、喷流等形式向上喷入日冕的―注入说，这些冷物质在日冕中随后积累起来形成日珥。几种观点，众说纷纭，倒也都有一定的观测依据。

关于为何日珥如此之重(密度是背景日冕的几十倍)，却能悬浮于相对“轻轻如也”的日冕之中，也是日珥研究的一个核心问题。不过，这一问题似乎已有共识：日珥是由所在磁场的张力支撑的。对于磁张力的理解，涉及到磁流体力学中磁场与流体的作用。简单而言，由于等离子体(近似处理成磁化的流体)中普遍存在粒子绕磁场的回旋运动(见高中物理)，等离子体粒子或磁流体组份如同串在线上的珠子：我们只能顺着“撸串”，而不能“横撕”。这样，磁力线如同有了质量---流体如同有了磁性，磁场与流体变得难舍难分，这就是通常所讲的“磁冻结”。磁场可施力于电流(即带电粒子的运动)，这一力即可改变流体的运动，也可与流体的重力相抗衡即支撑流体。磁张力是磁力的一种，源自磁流体中磁力线的弯曲效应，如同坠着珠子的弹性绳所对应的张力。当日珥物质串于磁力线之上，重力指向太阳，便可能压弯磁场使其凹陷(magnetic dip)从而产生背离太阳的磁张力。这是一种长期以来的“日珥的磁支撑共识”。

需要指出的是，近年来涌现的日珥的高分辨率观测数据表明，日珥内部似乎经常存在“不遵守冻结规则”的“任性”流动或湍动，很难用磁场主导和磁冻结来理解。更多的讨论需要专门研读更多文献方能展开。

日珥不仅自身很有意思，还跟很多同样有意思的日冕结构息息相关。

例如，在日珥周围常现冕腔(coronal cavity，日冕中的低密度椭圆或半椭圆暗区)。冕腔的出现对于日冕冷凝形成日珥的观点是有利的，试猜想：冕腔也许正是日冕冷凝后形成的低密度区呢。猜想而已，二者关系到底如何大家还没太整明白。

牛角(horn)也是一种伴随日珥出现的结构。它们发自日珥，常以日珥为中心向两侧延展，凸向太阳凹向日冕，呈非常好的弧形结构，很窄很准直，包络出冕腔的一段外围，且温度介于高温日冕和低温日珥之间。咋一看，形似日珥两头长出的两角，因而叫做horn―牛角结构。

位于日面边缘的日珥--U形结构(即本文所讲的horn结构)以及冕腔图像。所展示的图像数据由SDO(Solar Dynamics Observatory)/AIA获取。为突显有关结构，图(a-d)均为各波段波段(依次为：304，171，193，211埃)图像的负片(negative image)。摘自Régnier et al. (2011, A&A)。

本文事件中的日珥(304埃)及其伴生horn结构(171埃)及一头牛的照片。

Horn结构的成因是日珥研究的课题之一。由于horn很窄很弧很光滑。在日冕中，只有磁场才能控制诱导等离子体呈如此规则的排列。注意，等离子体的本性是气体，类似一帮“乌合之众”----发散乱跑做无规则热运动，只有在磁场的控制下，等离子体才会表现得如此“乖巧”。所以，horn结构的一个重要意义就在于勾勒出了日珥-冕腔附近区域的磁场走向。这是一件非常重要的事情，因为，迄今为止，还没有很好的测量日冕磁场的方法。Horn结构的另一重要意义就在于它可以为日珥成因、日珥(日冕)加热问题研究提供有益线索。

文献中提出了两种观点来解释horn的产生，一是认为horn结构正是前面提到的日冕冷凝形成日珥的中间产物！其温度也的确介乎二者中间。还有一种观点认为，horn结构是位于冕腔与日冕磁场界面处的电流片(理想导体中，磁界面处往往是电流集中分布区----安培定律)的观测表现。这两种观点中，第一种的观测基础更牢靠一些，虽然目前还并不能被观测数据完全印证；而第二种观点目前应该还不存在观测支持，是从数值计算中获取的一种物理认识。

日珥-牛角-冕腔常三位一体共存于太阳大气之中：日珥坠于冕腔底部，而牛角发自日珥，从两侧伸向冕腔。支撑它们共存的应该是背后的复杂磁场结构。或者说，这三者正是这一磁场结构在各波段上的不同观测表现。从日冕的紫外、软X射线等图像中可以判断，日冕中充斥着环形结构，告诉我们磁场在日冕中的主导作用。事实上，日冕磁场不仅影响和控制着大尺度日冕结构及平静日冕中气体的行为，它还是日冕能量的重要载体，在条件合适的时候便会释放并交予日冕气体，产生耀斑―日冕物质抛射等太阳爆发现象。日珥-冕腔结构常被观测到与太阳爆发密切相关，是一种重要的爆发结构。

这里欲介绍的工作正是以日珥的horn结构为切入点的。Horn结构研究的难点在于目前最新的SDO-AIA等仪器的观测温度虽然有着冷-热等较大分布，但重点关注爆发过程涉及的高温区域，于日珥到日冕的温度范围内，只有形成于0.6MK 的171埃可以很好地观测horn；另外，很可能由于horn形成过程很短，短于目前AIA的时间分辨率(12s)，因而horn形成过程还从没被观测到过。此外，诸多horn结构会与形态、演化都很复杂的日珥结构纠缠在一起，很难区分产生某根horn的具体日珥部位。这使得人们对于horn的认识非常有限。

本工作研究的日珥-horn结构很有特殊性。所关心的日珥主体照例是很复杂的结构。然而，在某时刻一小撮日珥从主体中分离出来，向上方日冕漂去。这如同做化学实验时拿胶管取样一般，这一小部分日珥，与伴生的horn结构一起，构成一个足够简单的样本，投影于暗弱的日冕背景之上，又消除了主体附近的各种干扰，使得日珥与horn的演化、相关性可以很好地呈现。

随后的两三个小时之中，这部分日珥逐步消失于冕腔之中。因而，这是一个日珥消散的过程。有关的horn结构也无法用日冕冷凝来解释。我们指出，这是一例日珥蒸发(evaporation)的事件，物理图像上也许与高密度冷气通过管道与高温低密度气体连通时的情景类似。这是一种解释horn成因的新观点---日珥蒸发说。与通常的日冕冷凝说相对照，两种过程在日冕中都可能存在。二者共同之处在于均认为horn结构代表着沿磁场方向上日珥与日冕的过渡区。

除horn成因方面的进展外，这个研究还得出了其它几个有意义的结论。例如，在日珥从主体分离向上漂的过程中，我们观测到日珥沿horn方向的大振幅摆动。此类振动被称为日珥的大幅纵向震荡，之前曾被报道和研究过。这个事件的不同之处在于我们同时观测到了horn结构---磁场的示踪。日珥大幅纵向震荡常用单摆模型来理解，支撑日珥的磁力正是吊着日珥的看不见的悬线。根据这一模型，可以通过磁场曲率计算日珥震荡的周期。由于我们观测到了震荡方向上的horn―磁场结构，这使得我们可以验证“单摆模型”的正确性。我们发现，震荡周期明显小于所预测的单摆周期。这说明除重力控制的单摆效应外，还存在其它可显著影响观测到的震荡周期的因素，如投影、热耦合效应等。

此外，我们还非常幸运地发现了horn结构的小振幅短周期(准)的横向(垂直于磁场方向)震荡。之所以说幸运，是因为这一震荡只有在对horn结构进行特别强化处理后才能清晰地看到(见图)。这一现象是我们首次报道的。其实，等离子体-磁场结构是具高度弹性的介质：哪里有扰动，哪里就有波动或震荡传出。所以，观测中发现horn震荡是可以期待的。Horn震荡的重要性在于这可以为珥震学(根据波动性质推测介质参数，如同地震学一样)的研究提供观测基础。

这一事件在一天之后爆发成为日冕物质抛射。在我们研究的日珥消散(蒸发)过程中，我们看到horn结构，携带着所示踪的磁力线，由日珥中分离并融入上方冕腔。这必然导致冕腔中积累越来越多的磁通量(或磁场能量)。因此，所观测到的这一过程实际上代表着日珥向日冕中输送磁能的过程。这样的过程，持续进行的话，必然会导致日冕磁能的不断积累并最终走向爆发。

一例简单的事件，包含着如此丰富的物理含义。这是始料未及的，也很令人欣慰。这项研究历经两年有余才得到期待的结果。也说明只有“初心不变，有始有终”方能成就一项有价值的科研工作。目前，horn结构的观测数据还非常之有限。将来，一定还会出现更多“执牛角、研太阳”的研究工作。

本工作《Dynamics of a prominence-horn structureduring its evaporation in the solar corona》由山东大学空间科学研究院、英国阿伯里斯特威斯大学物理系与美国斯坦福大学Stanford-Lockheed空间研究所的研究人员合作完成（Bing Wang, Yao Chen, Jie Fu, Bo Li, XingLi, and Wei Liu）已在Astrophysical Journal Letters发表(http://dx.doi.org/10.3847/2041-8205/827/2/L33)。感谢国家自然科学基金以及科技部973项目的联合资助。

不同时刻的horn结构(H1-H3)。红色虚线圆弧可拟合求出horn结构的曲率半径，S2-S4用来制作下图展示的时间切片图。

沿着(S2-S4)时间距离切片图，展示本文发现的horn结构的准周期横小幅横向振荡。