太阳活动区的爆发活动如太阳耀斑和日冕物质抛射会导致全波段的电磁辐射急剧增加并且抛射出大量携带磁场的等离子体。当这些磁场和等离子体到达地球时，可能会扰乱人类的通信系统，损坏卫星，引发大规模断电等灾害性后果。为了避免这些灾害性影响，人们需要知晓太阳活动区的等离子体特别是磁场的三维结构，以便对爆发活动进行准确预测。
    目前，以在太阳光球上测得的磁场作为底面边界条件进行外推是获得太阳活动区磁场三维结构的主要方法。传统上进行磁场外推时，通常忽略磁场和等离子之间的相互作用，以此为基础发展起来的外推称为无力场外推。近年来，人们认识到在部分情况下，太阳上的磁场和等离子体之间的相互作用不可忽略，因此又发展了磁流体静力学外推方法并引起广泛关注。

图1 太阳活动影响人类高科技基础设施（图片来源：NASA）

    磁流体静力学外推主要分为两大类，即解析方法和数值方法。
    ➤ 解析磁流体静力学外推以垂直于光球面的磁场强度作为底面边界，在一定条件下求得磁流体静力学方程组解析解来获得活动区磁场和等离子体的三维结构。一般情况下的磁流体静力学方程组是非线性方程组，要获得其所有解析解是不可能的。但是B. C. Low在1985年发现当电流满足：（1）在磁场方向上的分量为线性，（2）在垂直于磁场方向上的分量与重力方向垂直，这两个条件时，磁流体静力学方程组可以化简为线性方程组从而进行解析求解，这也是迄今为止人们发现的仅有的一组磁流体静力学方程组的三维解析解。这种解的优点是计算速度极快并能在一定程度上反映太阳大气的真实结构，缺点是无法获得磁场和等离子体的非线性特征。
    ➤ 数值磁流体静力学外推以光球矢量磁场作为底面边界，通过直接数值求解非线性的磁流体静力学方程组来得到太阳大气中的磁场和等离子体结构。近些年来人们主要发展了三种方法：优化法，磁流体动力学松弛法和Grad-Rubin法。前两者利用光球矢量磁场作为底面边界条件，而Grad-Rubin法利用光球纵向磁场和正极或负极的纵向电流作为底面边界条件；对于等离子体的初始和边界条件三种方法都需要做额外假设。相比于传统的无力场外推，数值磁流体静力学外推不仅能得到大致的等离子体分布，而且计算的磁场结构也更加准确，这对于促进太阳上各种活动现象的研究具有重要意义。

图2 磁流体静力学外推和无力场外推得到的磁场比较：(a)参考模型；(b)磁流体静力学外推的磁力线；（c）无力场外推的磁力线

    基于磁流体静力学假设的磁图预处理
    在传统的无力场外推中，由于多数磁图暗含洛伦兹力而与无力场假设相矛盾，因此这些磁图在外推前需要先进行预处理消除其洛伦兹力，以便更好地进行无力场外推。同理，在磁流体静力学外推中，虽然不符合磁流体静力学假设的磁图较少，但对于这少部分磁图也需要进行预处理。预处理后的磁图与磁流体静力学假设相容，有希望得到更好的外推结果。

    展望

    当前的数值磁流体静力学外推处于蓬勃发展阶段，优秀的方法陆续被提出并发展完善，并且随着超高空间分辨率的光球矢量磁场测量（DKIST，GST等）逐渐成为常态，磁流体静力学外推引起了太阳物理学界越来越多的关注。目前我们联合了9位国际知名的太阳磁场计算专家成立了一个ISSI/ISSI-BJ国际小组针对磁流体静力学外推的理论基础，数值方法以及应用等各方面问题进行深入研究，相信在不久的将来磁流体静力学外推能逐步得到完善，从而有力地促进其他太阳物理领域的研究。

来源：中国科学杂志社 国家空间科学数据中心