封面摘要（120字以内）
北大何建森团队提出非球形源表面日冕磁场外推模型（NSPF），突破传统球形源表面磁场外推模型的长期难题。新模型允许日冕磁场在不同区域以不同高度开放， 基于日冕极紫外成像、白光日冕成像及行星际磁场原位探测等观测约束，筛选确定合适的非球形源表面位型，利用限元方法求解不规则、非球形源表面边界下的日冕磁场，成功再现符合日冕辐射特征的磁场结构与PSP探测到的行星际磁场，为解决太阳磁场外推中的开放磁通量问题提供了新的思路。
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摘要
北京大学何建森课题组联合比利时鲁汶大学等国际合作团队，针对传统势场源表面模型难以同时解释太阳日冕磁场结构与观测开放磁通量的长期问题，提出一种非球形源表面模型（Nonspherical Potential Field model, NSPF），通过允许日冕磁场在不同区域以不同高度向外开放，建立更加符合实际日冕磁场结构的三维磁场外推方法。该模型利用有限元方法求解不规则边界下的日冕磁场，并结合SDO/AIA和SOHO/LASCO日冕观测以及帕克太阳探针（Parker Solar Probe, PSP）原位磁场观测，对模型进行了系统检验。研究表明，非球形源表面能够在冕流底部形成局部凹陷，使更多开放磁通量从开放—闭合磁场边界附近释放，同时避免传统模型通过整体降低源表面高度而造成的日冕环过度截断；模型能够较好地再现日冕磁场结构和PSP观测到的行星际磁场，并得到更加紧凑的太阳风源区。该研究为解决太阳磁场外推中的开放磁通量问题提供了新的思路，也为理解太阳风起源、太阳—日球层磁连接以及空间天气相关研究提供了新的磁场建模工具。研究成果以题为 “A Nonspherical Source Surface Model for the Solar Coronal Magnetic Field” 的论文发表于 The Astrophysical Journal，博士生吴子祺作为论文第一作者。
太阳磁场：连接日冕、太阳风与日球层的关键纽带
太阳不断向外释放太阳风，而太阳磁场控制着太阳风从日冕向行星际空间传播的路径。日冕磁场是连接太阳表面、太阳风和整个日球层的重要纽带。
由于日冕磁场难以直接测量，研究人员通常利用太阳光球磁场观测作为边界条件，通过模型向外推算三维日冕磁场。其中，全球势场源表面模型（PFSS）是最经典的方法之一。该模型建立于1969年（Altschuler & Newkirk, 1969），包含两项假设：（1）太阳大气中不存在电流，因此磁场可以通过求解势场方程得到；（2）存在一个球形源表面，磁力线到达这一表面后径向向外开放。
但这一假设带来了一个长期存在的问题：传统模型计算得到的开放磁通量往往低于太阳风原位观测所反映的结果。如果简单降低整个球形源表面的高度，虽然可以增加开放磁通量，却又会把许多本应延伸到更高处的日冕环人为截断，产生多余的日球层电流片。
因此，一个关键问题是：太阳日冕的磁场开放高度是否本来就不应该处处相同？
从球形源表面到非球形源表面
Schulz在1978年首先提出了非球形源表面势场外推模型的概念，Levine等人进一步在1982年发展了该概念。然而，这些早期方法仍然受到球谐函数表示形式以及参数化源表面几何的限制，因此难以在任意三维非球形边界上严格施加势场边界条件，也难以针对复杂的实际太阳磁图，自洽地构造相应的非球形源表面。
而本工作发展了Schulz，Levine等人的理念，使用有限元方法解算势场方程，并且搭配Schatten电流片模型，建立了稳定可用的非球形模型架构。本工作提出的 NSPF 模型在此基础上主要实现了两个方面的推进：其一，采用有限元方法（FEM），直接在任意非球形计算域内求解拉普拉斯方程，从而能够处理具有复杂三维几何形态的源表面；其二，不再预先指定源表面的参数化几何形状，而是根据模型磁场强度的等值面、结合日冕成像观测和行星际磁场探测约束来筛选和确定合适的非球形源表面。在非球形源表面的外面，进一步用Schatten 型电流片模型，来连接更远的行星际磁场模型。因此三层连接的“NSPF” 建立了一套可应用于实际太阳磁图的、从日冕延伸至日球层的完整磁场外推框架。
NSPF模型通过局部降低源表面高度提高了开放磁通量，但与简单降低球形源表面不同：它并不是让整个日冕的磁力线都更容易打开，而是优先在开放—闭合磁场边界附近释放额外的开放磁通量。由此，模型可以在增加开放磁通量的同时，保留其他区域较高、较完整的日冕环结构。
图1 非球形源表面模型的“三壳层”结构的示意图，其中第一个壳层和第二个壳层的界面是非球形源表面。
如图2，在偶极子场测试中，我们能够提取出一个在黄道面附近凹陷，类似“花生壳”形状的非球形源表面。
图2 对偶极子场磁场分布提取非球形源表面的过程示意图。
非球形源表面模型改善日冕磁场结构与开放磁通量
研究团队选取2024年3月太阳活动极大期的一段观测进行详细检验，并将模型结果与SDO/AIA极紫外成像和SOHO/LASCO日冕观测进行比较（见图3）。图中对比了传统 PFSS 模型与 NSPF 模型的开放磁场区域及磁力线结构 ——NSPF 模型在冕流附近增加了开放磁通量，同时保留了更完整的高位日冕环。结果显示，非球形源表面在日冕流带底部形成明显凹陷，使更多磁力线从局部区域打开。相比传统模型整体降低源表面的方式，NSPF模型能够在保持部分高位日冕环结构的同时，获得更大的开放磁通量。对于这一观测时段，当初始源表面半径设置为2.2个太阳半径时，模型得到的开放磁通量与观测约束更加一致，同时日冕磁场拓扑也能够较好地再现实际观测。这表明，开放磁通量不足的问题可能并不意味着整个太阳日冕的源表面都需要降低，而可能需要对不同区域采用不同的磁场开放高度。
图3 不同磁场外推模型与日冕观测的比较。面板 (a–c) 分别展示初始源表面半径为 3.0 Rs、2.5 Rs 和 2.2 Rs 的 NSPF 模型。面板 (d–f) 分别展示源表面半径为 2.5 Rs、2.0 Rs 和 1.5 Rs 的 PFSS+PFCS 模型。每个面板中，背景图像来自 2024 年 3 月 28 日拍摄的 SDO/AIA 171埃 和 SOHO/LASCO C2。磁力线的颜色表示其极性。银色曲线表示投影在像平面上的源表面边界。面板 (i) 展示背景图像，黄色弧线和箭头分别标示正面朝向的日球层电流片（HCS）和分离的冕流。面板 (a–f) 中的黄色箭头同样标示分离的冕流。
与帕克太阳探测器原位观测相互验证
为了进一步检验模型是否能够正确描述从太阳日冕到行星际空间的磁场连接，研究团队利用模型磁力线追踪PSP所在位置，并与其原位磁场观测进行比较（见图4）。结果表明，NSPF模型能够较好地再现PSP观测到的行星际磁场极性变化以及日球层电流片穿越特征。在所研究的2024年3月观测时段，初始源表面半径为2.2个太阳半径的NSPF模型表现出较好的综合一致性。
研究团队进一步沿磁力线将PSP观测到的太阳风反向追踪至太阳表面。结果显示，与传统模型相比，NSPF模型得到的太阳风源区更加集中，主要分布在开放—闭合磁场边界附近（见图5）。这一结果为研究太阳风从太阳表面哪些区域产生提供了新的线索，也说明非球形源表面模型不仅能够改善日冕磁场结构，还可能改变我们对太阳风源区的认识。
图4 PSP原位磁场观测与模型结果比较。模型将太阳表面磁场向外延伸至PSP所在位置，并与航天器实际观测进行比较。NSPF模型能够较好地重现行星际磁场极性变化，并进一步将太阳风源区追踪回太阳表面。
图5 PSP观测太阳风源区回溯结果对比。内球表示光球径向磁场分布；外表面为源表面。源表面上的实线标记太阳风磁力线和源表面的交点阵列，颜色表示观测到的磁极性（红色：正极；绿色：负极）。连接源表面与光球的线条为模拟得到的磁力线（红色：正极；蓝色：负极）。(a)、(b)：初始源表面半径为 2.2 Rs 的 NSPF 模型的赤道视图和极视图。(c)、(d)：源表面半径为 1.5 Rs 的 PFSS+PFCS 模型的赤道视图和极视图。
为日球层和空间天气研究提供新的磁场模型
太阳日冕磁场连接着太阳表面与整个日球层，是理解太阳风起源以及太阳活动影响行星际空间的重要基础。本研究提出的非球形源表面模型，为长期存在的开放磁通量问题提供了一种新的解决思路：不再通过整体降低源表面来增加开放磁通量，而是让磁场在更加合理的局部区域优先打开。
研究结果表明，该模型能够在日冕磁场拓扑、开放磁通量、行星际磁场以及太阳风源区之间取得更好的整体一致性。未来，该模型有望进一步用于全球太阳风和日球层MHD模拟，为研究太阳风起源、太阳—日球层磁耦合以及空间天气传播过程提供更加合理的磁场初始条件。
研究成果发表于 The Astrophysical Journal，题为 “A Nonspherical Source Surface Model for the Solar Coronal Magnetic Field”，北京大学地球与空间科学学院博士生吴子祺为论文第一作者。北京大学地球与空间科学学院何建森教授为通讯作者。
作者信息：
吴子祺（北京大学，第一作者），何建森（北京大学，通讯作者），侯传鹏（德国波茨坦大学），Tom Van Doorsselaere（比利时鲁汶大学），卓睿（北京大学），陈天航（北京大学），杨利平（空间中心），David Pontin（澳大利亚纽卡斯尔大学），Daniel Verscharen（英国伦敦大学学院），沈芳（空间中心）
论文链接：
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae8f45#apjae8f45s2
论文信息
该研究由北京大学地球与空间科学学院与比利时鲁汶大学等机构合作完成。合作团队包括鲁汶大学数学等离子体天体物理中心等单位。研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、国家航天局民用航天技术预研项目、中国国家留学基金委、比利时 FWO、比利时联邦科学政策办公室、欧盟 Horizon Europe DynaSun 项目以及鲁汶大学 Methusalem 项目等支持。
