子曰：祸起萧墙。

       然也，在太阳爆发这件事情上，也有类似的道理。

   太阳大气中布满着磁场(和相应的磁力线)。这些磁场均源自下方光球，是从更深层次浮现上来的。光球表面下方的物理过程(如复杂的湍动对流)难以观测，故通常以光球为底边界，认为太阳大气中的磁力线都扎根于光球表面。活动区是太阳爆发等各种太阳活动集中发生的区域，这里的磁场特别强，因而也是磁场密集扎根的地方。磁场都是由正(北)极连向负(南)极，大都呈光滑的环状---磁环，这其实是磁场能量状态要求尽可能低所决定的位形。任何其它形状都需要更高的能量来维持。

       磁环是太阳大气的基本结构(building blocks)。在活动区中，从其浮现到衰退，其间还会不断发生新的磁场浮现(类似于一锅煮开的磁场之粥)，而位于光球表面的磁场足点也始终处于动态之中。这样，已有磁环与新浮磁环在多达几天乃至几周的演化过程中，彼此作用、调整适应，达到一个合适的状态。一个活动区，除了亮、温度和密度都较高之外，最为明显的特征就是连带的密布、交错的环系。如同“围城”一般，这些环系划定了活动区的一种影响范围，将活动区的物质、磁场等大致笼罩起来。

左上：SDO-HMI卫星观测到的太阳光球表面磁场分布，白色代表正极黑色代表负极，磁场集中分布的两个区域均为活动区；右上图为磁环足点正负极性的示意图；左下图为SDO-AIA拍摄到的活动区图像，中间的活动区正在爆发、向外喷射物质，其余较亮区域均对应于活动区；右下图示一例由模型计算给出的日冕磁力线的分布。除右下图外，其余图片取自网络。

       太阳大气的温度相当高，故其中的物质都是电离的，以电子和离子即等离子体的形式存在。电荷在磁场中，基本行为就是迴旋运动了。而且迴旋半径非常之小，迴旋周期非常之短，使得这些电荷实际上可看成是紧紧拴在磁力线上的，像线上的珠子，磁场和等离子体合二为一：捆绑冻结在一起。因而，上面讲的由磁环构成的围城其实同时也是由等离子体构成的。可以讲，磁环、连带其上的等离子体将活动区罩了起来。而活动区之所以相对较亮，密度和温度较高，除了这里是太阳活动高发---因而存在各种加热等能量释放过程之外，物质和能量无法随意逃离也是一个关键原因。对比看看太阳大气中的暗黑区域---冕洞，那里没有大尺度的闭合磁环，里面是呼呼外流的物质---太阳风，表现得又黑又稀，就可以明白这个道理了。

       因而，任一活动区上方都存在一个由无数磁环交织构成的、可以约束活动区内部物质和能量的“围城”，是磁墙场壁加等离子体铸就的堡垒。太阳爆发之计，就在于如何突破重围，将存于磁环下方的能量和等离子体结构由内向外加速且送出，即“破城”。

       常见的破城之计有两种。不管哪种，合适的内因都是前提。

       顾名思义，活动区始终处于活动状态。在这个过程中，能量，主要是磁场能量，不断以磁浮现、磁足点运动等形式向上传输，暂存于环系下方---“城内”。这些暂存的磁场及其能量在与已有日冕中的磁场和结构相互作用后，会形成对应的结构。例如，有的情况下，是足点被扯开远离而致高度“劈叉”状磁环---或许如“一字马”之形；有的情况下，是相互扭缠抱团的“绳”状结构。这些都对应于高能量状态，专业上称为“剪切磁拱”或“磁绳”。如果没有活动区上方磁环的围城之困，这些高能量载体早就会飞离太阳、膨胀于空间之中，奔向更低的能量状态了。所以，破城之举，先要有“萧墙之祸”---即高能量载体(爆发结构)的出现。

左图和中图：根据磁场观测数据做外推，所计算出的一次太阳爆发事件前后的日冕磁力线分布图，在爆发前存在的磁场扭缠结构在爆发后消失了(Ruan et al., 2014)。右图：太阳爆发三维数值模型中所采用的磁绳和约束场(Fan et al., 2007)。

       破城之第一计，靠实力拼本事。这种打拼体现在围城与高能量载体之间的PK。这一PK可简单化解为作用于能量载体之上的两个力间的竞争。根据电磁学，磁场会对其中的电流施以力的作用，而自由电流可以产生有旋的磁场（注：非势场，势场是电流处处为零的磁场），反之有旋的磁场需要电流来支撑；对于高度劈叉、抑或磁力线扭缠的复杂结构，之所以能量较高，就是因为其中分布着与磁场结构对应的电流系统。

       电流与磁场叉乘就是力了。

       爆发结构的磁场作用于自身的电流之上，就是要将爆发结构抛出围城的“破城”之力(是自身的磁场作用于自身电流之上产生的，因而称为自力---self force)；而围城之磁场作用于爆发结构电流的力，就是围困之力。二力，在爆发之前，是相互平衡的。随着能量的积累，活动区的演化，当围困之力渐弱，抑或爆破之力渐长，终于爆破之力占优时，就是力学平衡丧失也即爆发“破城”之时。(其实，谁都知道，任何有限空间中都不能无限制地承载能量---若不断将能量送入城堡，就像吹气球一样总有一刻会爆的)。这一实力大比拼，是许多主流CME（主要的太阳爆发现象：日冕物质抛射的英文简称）模型的核心要义。如所谓的磁绳不稳定性模型，就是力学失衡模型，关键都是要讲清楚“吹爆”即失衡或不稳定发生的条件。

       上述破城之计，在于硬拼，靠蛮力以把围城破。

       还有一计，更加巧妙一些，在具备一定实力之余，还请到了外援---里应外合。

       这件事要想讲明白，还得从一个佯谬(paradox)说起：Aly猜想。太阳物理学家Aly，在近四十年前，就提出：光球表面，具有同等磁场法向分量(就是与光球表面垂直的分量，代表着扎根的力量)分布的所有磁场中，全开放场的能量最高。CME爆发时，很可能是要把构成围城的所有场都打开，变为相应的全开放场，根据Aly猜想，在CME打开场之后就没有多余能量用来加速抛射体了，而CME抛射体的动能是CME最为显著的特征之一，这一猜想便与CME的观测矛盾。这一佯谬，没有得到完整的理论证明，但看起来与所有的数值试验一致，因而很可能是正确的，并困扰了太阳物理学家好多年时间。许多CME理论都是要找到能绕过这一佯谬的路子。上面讲的“硬拼”的破城之策，也同样受到这一猜想的限制，模型中一般需要采用将磁场边打开、边闭合等策略(即引入磁场重联，后面会有些概念解释)，基本可以绕过去。

       所谓“里应外合”之举便是一个可以绕过Aly佯谬的高招。牛人Spiro Antiochos在1998-1999年连续发表两篇文章(其中98年先发表的其实是第二篇文章)，指出CME倾向于发生在具有多极磁场位形的复杂活动区中，他认为这一观测现象包含着理解CME触发机制的关键要素：多极。

       活动区的演化，多是从一对新浮现的黑子---磁极对开始，后面又会浮出其它磁极对，不同时间浮出的磁极对由正极到负极的指向可以相反，这样连接新浮现磁极的磁环和之前存在的磁环中的磁场方向就会相反。两组反向的磁环靠在一起则构成一种特殊的高磁能强电流位形。

       为何反向磁环靠在一起就有电流了，不是得扭缠或劈叉才行吗？又如何绕过Aly老人家的佯谬呢？还得娓娓道来啊。

       前面提到过，根据Maxwell方程组中的安培定律，磁场旋度(就是对某磁场分量(如Bx)求不同方向(如y)的空间导数)等于电流密度乘以真空磁导率(常数)，也就是有旋的磁场(或非势场)都需要电流陪伴，磁场旋度越大，电流越强，等离子体之中基本上磁场旋度与电流就是一回事。相互逼近且磁场反向的磁环，就相当于旋转了180度的磁场，在旋转面(磁环接触面)上便会形成电流。而且靠得越近，电流就越强。强电流对应于高能量状态，在适当的电阻效应下，会“一点就着”被烧蚀。电流的烧蚀使得对应的磁场能量下降，并转为等离子体的热能或动能---能量总是有失有得要守恒的；电流烧蚀的过程，其实也是磁场旋度减弱的过程，支撑原先180度反向位形的电流系统被烧掉了，磁场的正极和负极在交界面处电流烧蚀之时便彼此搭在一起，类似于电路短路，本来是一上一下的磁环排布，被代之以一左一右分别指向两侧的磁环排布，这就是所谓的磁场重联。不仅仅释放了磁能，而且完全改变了磁场的连通性质(称为拓扑)；重联前后磁环走向完全不同。这个过程是一基本的磁能释放过程，在处处皆磁的太阳大气中具有重要地位，我们常讲的“耀斑”就被认为是重联过程中加速的高能粒子引起的辐射短时增强造成的闪耀晃眼之效果。

磁场重联过程的简单示意图，时间从左至右。红色、蓝色表示重联前的两根磁力线，线上的箭头表示磁场方向。指向中心的白色箭头表示可能存在的驱动重联的推挤过程，即重联入流。

       这与Aly猜想有什么关系呢？

       复杂多极活动区上方的“围城”，可能含有来自连接不同指向磁极对的磁环系统，其中的磁场方向可以相反。这样的“磁墙”是相对脆弱的。一旦下方覆盖区域中浮现或演化出高能量的磁场结构，该结构的自力作用将使之向外膨胀或运动，从而推挤上方的磁环系统，使得这些反向的磁环不断靠近，这就为重联的发生创造了条件。这些“围城”围墙间的重联一旦发生，便相当于打开了城门，使本来起约束作用的磁环，经重联重新连接后，向两侧分开，放行了。下方的磁场结构便会乘势更向上拱，使得上方更多反向磁环被推挤而发生类似的过程。如此这般形成一种“推挤”与“洞开”的正反馈，就会势如破竹，在看似坚固、层层包围的磁环之中打开一条通道而致爆发。这就是CME触发的breakout model，可以翻译成磁裂爆模型，强调先裂(break)后爆(out)的“破城”之计(注：已有常用的翻译是“磁爆裂”)。相应的重联称为breakout重联。

       Aly猜想是如何绕过去的呢？

       如此这般，上方磁环发生重联而转向两侧，这些磁环便不需要在爆发过程中被打开了，相当于大大降低了爆发所需的能量成本：一个爆发体所积累的能量应低于相应的开放场能量，但是可以显著高于经过breakout重联之后的系统所对应的相应开放场能量，这就可以同时解释场打开和物质加速的能量来源了。相对于上述破城第一计而言，看似轻松不少。

       Breakout模型提出之后，出现了许多数值模拟的验证工作，证明了这一机制的有效性。在观测依据方面，也有许多支持的数据分析工作。我们这里所介绍的研究工作，便是一个观测数据分析工作。这个问题难在什么地方、这个工作又新的什么地方呢？

       Breakout重联发生于太阳大气的较高层次。太阳磁场随着高度迅速下降，所以breakout重联其实并没有太多的磁场能量可以释放，这带来的后果就是有关的观测特征很不明显(不大“晃眼”)。前面提到，breakout模型对于活动区磁场的排布有讲究，故几乎所有观测分析都研究爆发源区位于日面的事件。因为只有对这些事件，才能获取源区的磁场数据。这时，显然，breakout重联过程将投影于亮的活动区上面，更加难以分辨。可以说，作为一个主流的CME触发模型，其核心要素---breakout重联还没有得到一种直接的观测证认。

       要想从观测上找到这一重联的特征，需要研究分析源区位于太阳边缘的临边事件。本工作所展示的正是这样一例事件，除了没有对应的磁场数据外，事件几乎完美地展现了breakout数值模拟工作所预测的各个阶段的主要特征(参见下图)，当然，也还有一些新发现。

左图：Breakout模型的基本磁场位形，包括红色的上方磁拱(或磁环)，蓝色的中心磁拱，底部青色的爆发结构，与黄色的两侧磁拱。其中红色与蓝色磁拱均为爆发体上方磁拱，二者磁场方向相反，之间的重联即为breakout重联。底部的颜色表示磁场极性。右图：本研究工作所分析的爆发时间，与左图配置非常相似。中间底部最亮的为爆发结构。

左图：SDO-AIA在三个不同波段(131-94-171A)上观测到的breakout爆发事件。上中下三组图分别反映爆发的三个阶段：breakout重联，也就是爆发的触发阶段；爆发阶段；日冕结构的回复阶段。右图：卡通图示与数值计算给出的不同阶段breakout模型的磁场位形。

   本工作已经被美国theAstrophysical Journal Letters杂志接受发表，将于近期刊出。

       本工作开展所依赖的这些数据，充分展示出美国NASA卫星---SDO（太阳动力学观测台）无与伦比的观测能力。过两年(2018年)，NASA按计划会发射新一代太阳探测计划--太阳探针(Solar Probe Plus)，逼近太阳探究竟。

       时不我待，欲超越，我辈还需大大大努力啊！