太阳黑子振荡的统计与对比分析

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太阳黑子是太阳光球表面的局部磁极凝聚,磁场强、温度低,在可见光等电磁波段辐射通量低,视觉上偏暗。太阳黑子和活动区的演化与太阳周期密切相关:在太阳极大年,太阳黑子和黑子群数量多,太阳黑子和太阳活动区附近的爆发性事件显著增多,比如太阳耀斑与日冕物质抛射等;在极小年,此类事件显著降低。因此,太阳黑子的平均数量可在一定程度上反映出太阳的活跃度,太阳黑子是研究太阳活动的重要载体。本文旨在分析和对比太阳黑子辐射强度的周期性信号,利用频谱分析等手段获得黑子振荡特征的空间分布,结合太阳黑子磁场随黑子尺寸的变化,探索黑子振荡特征随黑子磁场和热力学结构的规律,研发诊断黑子结构的工具。本文采用太阳动力学天文台大气成像阵列1600(?)、1700(?)、304(?)和171(?)波段的成像数据的小时级时间序列,研究太阳黑子的3~5分钟周期性振荡,利用日震与磁成像仪的磁场数据获得太阳黑子的磁场和热力学参数。本文采用傅里叶变换计算黑子振荡的频谱分布,利用切片手段获得黑子振荡的功率和主峰周期的空间分布,并对比分析黑子振荡特征与磁场和密度等参数的关联性。通过频谱分析发现在太阳黑子的光球层上层、色球层以及过渡区中,1~3分钟振荡的功率主要集中在黑子本影区域,而3~5分钟的振荡功率则集中半影区域,振荡功率强的区域呈现近圆形或环状结构。沿磁力线方向,黑子振荡以慢磁声波的形式传递,且光球层上层与过渡区之间的太阳大气中,振荡的功率分布情况基本不变;当黑子振荡传递至日冕层时,振荡的功率分布开始发散。在水平方向上,因黑子区域的磁场倾角发生变化,振荡的截止频率随之变化,导致1~3分钟振荡与3~5分钟振荡分别被局限在黑子本影区域与半影区域。其主要原因是光球层的p模波在穿过黑子区域时,与黑子中的强磁场发生相互作用,且能量被吸收。在黑子本影中,信号的主峰周期为160~200 s,而在黑子半影中,信号的主峰周期为220~300 s,部分区域的主峰周期低于100 s。水平方向上,远离黑子中心时,信号的主峰周期增大。垂直方向上,黑子区域低于100 s的短周期信号大幅度减少,在本影区域,主峰周期在180 s左右的信号占据主导地位,在半影区域,主峰周期在240 s左右的信号占据主导。通过对黑子光强、磁场、功率以及主峰周期分布的切片分析可知,黑子尺寸越小,以上物理量的切片误差越大,也即黑子的功率分布、主峰周期分布与磁场分布越不均匀,磁场与振荡分布的空间对称性越差。本文分析了太阳黑子在紫外和极紫外波段的辐射通量的周期性信号,发现1~3分钟黑子振荡主要分布于黑子本影区域,而3~5分钟信号则主要以环形或者扇形分布于黑子半影区域,该分布主要反映太阳黑子的慢模磁场波受黑子磁场倾角变化的影响。通过对比分析小型、中型和大型黑子的区别,发现黑子磁场的精细变化能够改变黑子振荡的主峰周期,此类关联性具备探索黑子磁场和热力学参数的潜力。本文探索了黑子振荡的功率和主峰周期在不同层面随黑子磁场和热力学参数的变化规律,初步获得了黑子内部参数随黑子大小的变化,探索了利用黑子振荡作为诊断黑子内部结构的可能性,具备一定的应用前景。
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