太阳低层大气中小尺度活动的观测和研究

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太阳低层大气中存在着许多的小尺度活动。随着高分辨率太阳望远镜的投入使用,各类小尺度的太阳活动引起人们越来越多地关注。小尺度活动包括埃勒曼炸弹、微暗条、微耀斑、日浪等,这些活动有着相对简单的结构,能给人们带来更为清晰的物理图像。因此,对它们的研究有助于探求太阳活动的物理本质,并为解决太阳物理的其它问题提供借鉴。  埃勒曼炸弹(EBs)是主要发生在光球内的小的、存在时间较短的增亮事件。对它的研究已经持续了近一个世纪。统计结果表明,EBs典型尺寸一般小于1",持续时间在10~20分钟,能量介于1025~1028尔格之间。EBs光谱在Hα谱线线心几乎没有发射,仅在线翼上能看到向外延伸的发射。近年来高分辨率的观测,对EBs的研究更加深入。从观测上看,EBs主要发生在光球上层、温度极小区和低色球层内。近一步的研究发现,大部分EBs会在纵向磁场的磁性反转线附近出现,也有部分出现在单极磁场区域。  使用美国大熊湖天文台(BBSO)的、目前世界上最大的1.6米口径太阳望远镜(NST)在2013年6月6日获得的高分辨率Hα和CaⅡ8542(A)光谱资料,从中选择3个最小的EBs,研究高分辨率观测到的最小EBs具有什么特征。结果表明,所有EBs都位于纵向磁场的寄生区域附近,并伴随每秒几公里的物质运动。非线性无力场的外推也清楚地表明EBs出现在秃斑区域或磁分界面附近,这再次确认了Pariat等(2004)提出的唯象模型。对光变曲线的研究发现,EBs的演化可以分成3个阶段:前相、闪相、冷却相。磁重联率的计算说明了快速磁重联发生在闪相阶段。这些都表明,EBs和太阳耀斑的爆发相似,只是EBs的尺寸较小罢了。  使用非局部热动平衡理论,计算了这三个EBs的半经验大气模型。发现低层大气的温度上升了2700-3000K,温度的增加远大于以前的研究结果,一个主要的原因是早期的光谱资料分辨率较低。此外,还发现一个有趣的现象:EBs的色球上层温度也上升了。这可能是磁重联过程中产生的喷流或某种波引起的。  日浪是太阳大气中冷的物质从色球向日冕喷发的一种现象。早期的研究中,日浪轨迹为直线或准直线,初始速度大约50千米/秒,上升阶段的最大速度为100-300千米/秒,上升的最大高度为10-200Mm,持续时间一般10-30分钟。近年来高分辨率的观测发现,日浪由很多细丝组成,其长度7-38Mm,速度达到100千米/秒。研究发现日浪经常发生在磁流浮现的区域和靠近寄生磁极的活动区,这些磁场特征表明日浪是由磁重联触发的。  高分辨率的观测还发现了具有一定张角的扇形日浪,但到目前为止,扇形日浪的观测还是很少的。因此对扇形日浪进行更多事例的研究,获取更详细的动力学特征是非常有意义的。分析了BBSO的NST在2013年6月5日观测到的一个扇形日浪,从这个日浪的Hα图像中选择了3根能清楚分辨的细丝做切片操作,求得了日浪的速度和加速度。计算表明,日浪开始以每秒几千米的速度喷发,然后大约以0.2-0.3千米/秒2的加速度,在几分钟内加速到60-80千米/秒。扇形日浪的足点在Hα波段发生增亮表明加热发生在色球。结合非线性无力场外推认为,新浮磁流和背景磁场之间的重联过程对色球大气进行了加热。日浪足点受到加热后会产生更高的等离子体压力,推动日浪继续向上运动。  小尺度活动的结构都比较小,要完整的分辨其结构和演化过程,需要更高精度的观测。近年来,SST、NST、GREGOR和NVST等高分辨率的望远镜相继投入观测,为小尺度活动的研究提供了丰富的资料。这些望远镜的空间分辨率都达到了亚角秒,EBs、微耀斑、光球亮点等小尺度活动的精细结构都能观测到。但也看到,这些望远镜的视场都不超过3,制约了对一些太阳活动的研究。对太阳活动的观测不但要包括多个波段,追求尽量高的时间和空间分辨率,还要考虑到高分辨率和大视场的结合。考虑到国际上尚未有望远镜能同时兼顾以上的要求,国内也没有10830(A)的全日面和局部像观测,也没有可用于白光耀斑观测的望远镜,为此,研制了光学和近红外太阳爆发探测望远镜(ONSET)。  经过多年的努力,ONSET望远镜研制成功,并于2014年正式投入科学观测。目前ONSET能够每分钟采集3张He10830(A)线心和线翼单色像、3张Hα线心和线翼单色像、4张白光单色像,并且局部像的分辨率好于1"。此外,建立了太阳近红外成像观测系统,在国内首次研制了HeI10830(A)滤光器,并首次获得太阳10830(A)图像。  在攻读博士学位期间,笔者参加了ONSET的调试和试观测全过程,并负责开发了全部观测软件和部分数据处理软件,建立了对外开放的数据库。ONSET于2015年3月通过专家验收,2016年2月获教育部科技进步一等奖。
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