太阳暗条的自动检测及其特征分析

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太阳暗条(当出现在太阳边缘时称为日珥),是一种存在于日冕中充斥着低温高密度等离子体的结构。通常情况下,暗条的温度比周围的日冕低100倍,但密度却要高出100倍。在Hα观测中,暗条像一条拉伸弯曲的暗黑色带状物,其间伸出若干分叉、倒钩。暗条通常沿着磁场极性反转线出现,高度从色球一直延伸到日冕,这些特点使得我们可以通过研究大量暗条的演化来跟踪和分析太阳磁场。不仅如此,有时大尺度的不稳定性会破坏暗条的准静态平衡,导致暗条的爆发。因而暗条的爆发与耀斑和日冕物质抛射的产生有着千丝万缕的关系。因此,对暗条进行个例研究以及统计分析都具有重要的现实意义。近年来随着观测技术的进步和存储设备的革新,地基和空间卫星望远镜不断发展,观测数据的时间和空间分辨率不断提高使得我们需要处理海量数据。如何高效及时地处理这些数据并从中提取有效信息成为一大难题,自动检测和分析数据方法的开发显得尤为紧迫和重要。为此,我们开发了一种高效的Ha全日面暗条自动检测识别和跟踪算法。程序不仅能够检测暗条并对其特征进行识别(如位置、面积、主轴、倾角、分叉等),还能跟踪暗条每天的演化。算法主要分为三部分,第一部分是对图像的预处理,矫正原始图像;第二部分是结合Canny边缘检测算法和联通域标记算法来检测暗条;第三部分是通过形态学算法对暗条特征的识别和提取。为了测试该算法,我们将其应用于来自不同天文台、不同望远镜观测到的数据,测试结果表明算法有较高的效率和较强的鲁棒性。我们应用开发的暗条自动检测和识别程序处理了大熊湖天文台(BBSO)观测到的从1988年到2013年横跨三个太阳周的全日面Hα数据。我们希望从得到的结果分析暗条特征的统计特性。我们得到了暗条的蝴蝶图,以及显示暗条面积、主轴长度的蝴蝶图。我们也研究了暗条的数目、面积、主轴长度、倾角和分叉数目随时间、纬度的分布。暗条在不同纬度带的漂移速度,不同面积大小、主轴长度的暗条的漂移速度也分别进行了计算和分析。最后我们研究了暗条数目、以及在不同面积、主轴长度、倾角分类下的南北半球不对称性。结果表明,暗条数目随纬度的分布是双峰结构。三个太阳周内超过80%的暗条面积小于1.0×109 km2。第22太阳周期间90%的暗条主轴长度小于1.0×105 km,而在第23和24太阳周期间为80%。约80%的暗条倾角大小在区间[0°,60°]。约85%的暗条分叉数目少于5个。在低纬度带(低于50°),东北走向的暗条在北半球占主导,东南走向的暗条在南半球占主导;在高纬度带(50°~90°),西北走向的暗条在北半球占主导,西南走向的暗条在南半球占主导。第22和23太阳周的暗条在纬度方向的漂移有三个趋势:从太阳周开始到太阳活动极大,暗条主要向赤道方向漂移,漂移速度较大;太阳活动极大之后,漂移速度变得相对较小;而到太阳活动极小期附近,暗条的月平均分布变得离散,暗条向极区和赤道方向都有漂移。大部分低于50°的暗条向赤道方向漂移,高于50°的暗条向极区漂移;在50°附近的暗条,部分向赤道方向漂移,部分向极区漂移;位于高纬度75°附近也存在向赤道方向漂移的暗条。暗条数目,不同面积大小、主轴长度大小的暗条数目,以及累计的暗条面积、主轴长度的南北不对称性指数表明第22太阳周以南半球占主导,而第23太阳周则为北半球占主导。在低纬度带0°~50°的暗条倾角不对称性指数变化曲线类似正弦函数,这一结果不依赖于太阳周的变化。我们试图采用我们的自动检测算法来检测暗条主轴和分叉的手征性。为此我们将其应用于BBSO存档中的Ha观测数据以及太阳动力学天文台(SDO)上搭载的磁像仪(HMI)观测到的矢量磁场数据。我们给出了处理的四个宁静区暗条例子。我们发现暗条有时可能在它的不同位置存在不同手征性的分叉结构。位于南半球(北半球)的暗条其分叉主要为左手性(右手性)的,具有正(负)的磁螺度。通过矢量磁场,我们可以判定暗条的磁螺度。但是,如果我们采用仅以观测为经验的导线磁拱模型,有时则会得到相反的磁螺度符号。测试的结果证明我们自动检测暗条分叉手征性的算法是高效和准确的。具有唯一主轴手征性的暗条具有不同分叉手征性,说明宁静区暗条具有非常复杂的磁场结构,可能部分结构是磁绳构成,部分由具有磁凹陷的磁拱构成。我们不能仅仅通过分叉的手征性判定暗条主轴的手征性(磁螺度)。对暗条主轴的手征性判定必须结合其形态结构与磁场结构。在没有矢量磁图的情况下,根据暗条足点判定暗条主轴的手征性不一定准确,有时会导致错误的结果。
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