太阳爆发:源动力之谜

看似宁静的太阳上存在着诸多活动现象,其中的爆发活动,包括耀斑(solar flares)和日冕物质抛射(CMEs),是太阳系内最剧烈的能量释放,也是造成空间环境和空间天气变化的最主要因素。磁场重联一直被认为是其背后的驱动力,然而确凿的证据一直没有找到。现在,新一代观测卫星太阳动力学天文台(SDO)终于记录到了完整可信的日冕重联过程。文章中我们简要回顾太阳爆发的研究历史,介绍最新的研究成果,并讨论将来的研究重点。     

太阳磁重联的新证据

新观测为太阳系内最剧烈能量爆发现象提供了迄今最完整的图像证据太阳耀斑(solar flare)可以将太阳大气中的等离子体从百万度加热到几千万度。常随其爆发的还有日冕物质抛射(CME),可将几十亿吨的等离子抛进行星际空间。CME到达地球可扰乱地磁层,破坏电网设备,通讯系统等其他基础设施,对宇航员及在极地高空飞行的乘客造成潜在危险。     

太阳极紫外He Ⅱ 30.4 nm谱线层析成像及其光谱数据反演

由磁场重联触发的发生在日冕和过渡区域上的具有高度动态的太阳爆发活动是灾害性空间天气的驱动源,对太阳爆发活动的空间成像和光谱分光测量是实现精准空间天气预报的关键数据来源.太阳大气上单离子氦的Lyman a跃迁产生波长30.4 nm的He Ⅱ共振谱线,相比于邻近的谱线强度至少高一个数量级,因此能用来观测太阳爆发事件中的物质流动和能量输运过程.本文针对传统的太阳极紫外成像仪和成像光谱仪的缺陷,利用光线追迹方法设计了一款工作在He Ⅱ 30.4 nm波长处的二维光谱层析成像仪器,采用无狭缝的3个级次(–1, 0,+1)同时衍射成像架构,单次快照可实现大视场的二维光谱瞬时成像.由于3个级次图像的空间信息和光谱信息混叠,利用有限层析投影角度的光谱数据反演算法,重构了观测目标的三维数据立方体Ⅰ (x, y,λ).     

太阳爆发日珥内双向喷流事件的紫外光谱研究

太阳双向喷流事件是过渡区重要的小尺度现象之一。双向喷流事件的光谱特征是强的展宽和非高斯形状。当双向喷流事件发生时,光谱像的红、蓝两翼分别或者同时明显增强,其相应的多普勒速度可达100 km·s-1以上。双向喷流事件的平均尺度约1 800 km, 寿命约60 s。双向喷流事件出现在磁对消区附近,且其速度与当地的阿尔芬速度相当,普遍认为其产生机制为小尺度快速磁重联。对其系统、全面地研究始于SOHO时代。SOHO/SUMER具有高时空和谱分辨率、宽的谱线覆盖,其观测的光谱数据为探究双向喷流事件提供了有力的光谱学诊断工具。双向喷流事件及其他过渡区小尺度现象的相互联系已被广泛研究,但双向喷流事件与日珥及其精细结构的关系研究还很少。文章通过SOHO/SUMER的Si Ⅲ谱线的定点观测,再现了爆发日珥演化的强度﹑多普勒速度和宽度演化图。通过Si Ⅲ谱线分析,找出宽度大于三个标准偏差的Si Ⅲ谱线,然后进行视像筛选出双向喷流事件,最终在爆发日珥中诊断出多个双向喷流事件,且大多数的双向喷流事件以准周期20 min重复出现在爆发日珥的中心区域。通过讨论,认为日珥中心磁流管之间的磁重联导致了双向喷流事件的重复出现,双向喷流事件产生的高速等离子体流可能是日面物质抛射的一部分,或是跟随日面物质抛射的太阳风的一部分。     

破解太阳中微子失踪之谜

 2001至2003这3年时间里,太阳中微子的研究进入了一个黄金时期。在这个时期中,一个困扰了物理学家40年的难题被漂亮地解决了。这个难题的解决对于物理学和天文学来说都非常重要。本文将简要回顾3年来关于太阳中微子研究的惊人进展。太阳中微子的产生20世纪上半叶,物理学家们普遍相信太阳发光图1太阳内部的典型核聚变反应是由于其内部不断发生从氢到氦的核聚变反应。根据这一理论,在太阳内部每4个氢核(即质子)转化成1个氦核(4He)、2个正电子(e+)和2个神秘的中微子(νe),见图1所示。     

日冕喷流触发冕环横向振荡

正日冕位于太阳大气最外层,由温度高达数百万度的磁化等离子体组成。波动和振荡是日冕中普遍存在的现象,美国TRACE卫星首次在极紫外波段探测到冕环的周期性往复运动,被认为是冕环横向扭曲振荡。冕环振荡通常由附近的低日冕爆发活动(如耀斑、喷流、暗条爆发)触发。日冕等离子体参数(如磁场强度和阿尔芬速度)难以直接测量,结合太阳望远镜观测到的振荡和磁流体力学波动理论为诊断这些参数提供了一种有效手段。     

太阳远紫外在临近空间的辐射特性研究

太阳远紫外辐射是临近空间能量输入的主要来源之一,临近空间环境对太阳爆发活动的响应是有待深化研究的重要科学问题。对太阳远紫外在中高层大气的辐射特性进行研究,是研究临近空间大气成分与密度变化、光化学反应以及动力学过程的重要基础。利用FISM2耀斑模型计算的远紫外数据和MSIS-E-00模型提供的地球中高层大气数据,将120～190 nm的太阳远紫外辐射分为7段,使用基于Lambert-Beer定律的大气辐射传输方法进行数值模拟。选取2010年1月至2020年12月共11年间的150组耀斑数据,利用时间滞后互相关(TLCC)评估了太阳远紫外辐射和软X射线的耀斑峰值时间差,使用最小二乘法(LS)计算了二者的耀斑峰值流量关系,然后利用大气辐射传输方法计算了耀斑爆发时太阳远紫外在临近空间(20～100 km)的光谱特性、流量变化以及加热率变化,最后计算了太阳远紫外辐射在地球大气中的沉积情况。计算结果表明,在太阳耀斑爆发过程中,远紫外辐射的流量出现明显变化,流量峰值比软X射线提前240 s左右;远紫外辐射与软X射线的流量峰值近似线性相关,大于140 nm波段的系数随波长的增加而增大;在20～100 ...     

AAA级太阳模拟器的设计与研制

完成了一种光谱匹配、辐照不均匀度和辐照不稳定度均能达到A级标准的AAA级太阳模拟器的设计与研制。介绍了太阳模拟器的光源选择和滤光片的设计,给出了太阳模拟器的光机结构,测量了太阳模拟器的各项技术指标。结果表明,太阳模拟器的光谱匹配在波长400～1 100 nm处满足ASTM E927-10中AM1.5G A级要求。在有效辐照面55 mm×55 mm内,其平均辐照度达到1 000 W/m2,辐照不均匀度达到1.35%,辐照不稳定度达到1.27%。测量数据显示设计的太阳模拟器满足ASTM E927-10的AAA级标准。     

太阳活动与地球的空间环境

 光辉的太阳是地球万物生长的天然能量源泉,它不断地向太空发射大量的光和热．观测表明,太阳光球及其以上的太阳较外层大气中,时常有较大尺度或局部区域的、缓慢的或爆发型的变化现象,诸如太阳黑子、日珥和耀斑等,太阳物理学家把这些现象统称为“太阳活动”．太阳活动现象非常复杂多变,可以说是相当的丰富多彩．太阳黑子数目的变化具有显著的周期性,太阳黑子大量出现的期间叫做太阳活动峰年,黑子极少的期间称为太阳活动谷年或低年,两个峰年之间的周期平均约１１年．随着２１世纪的来临,美国国家海洋和大气管理局的科学家发出警告说,２０００年太阳活动将进人极大年──即太阳活动高峰期,剧烈的太阳活动可能会扰乱近地空间环境.     

中国太阳物理观测研究跃居世界先进水平

 国际天文学联合会(IAU)第141次学术讨论会于去年9月在北京举行.笔者在参加会时了解到,近年来我国在太阳物理研究方面取得了很多成果,引起了世界太阳物理学界的关注.我国学者艾国祥、汪景琇在会上作了特邀报告.艾国祥报告题目是“太阳磁场测量的进展”,江景琇报告题目是“磁场向量的分析”.他们的报告引起与会者的极大兴趣和热烈讨论.国外许多专家学者认为,中国在太阳活动22周峰年期间的黑子群和太阳耀斑爆发研究中,特别是近年在太阳磁场和速度场的观测研究方面已跃居世界领先地位.     

太阳极区冕洞内小尺度结构的紫外光谱研究

SOHO/SUMER太阳紫外光谱仪的N Ⅳ谱线观测到太阳南极区冕洞内存在许多小尺度结构,其空间尺度约1～几角秒,寿命尺度约1～几min。小尺度结构沿狭缝方向呈条状,视向多普勒速度可至几十km·s-1。在有的南极区冕洞区域内,小尺度结构的视向多普勒速度呈红、蓝移准周期性交错分布,持续时间长达100 min。部分小尺度结构在同一观测窗口的高温Ne ⅤⅢ谱线还可清晰显现。有的小尺度结构在Ne ⅤⅢ速度演化图的时间和位置与N Ⅳ 谱线速度图基本一致,但它们在Ne ⅤⅢ速度演化图中更延展和弥散。N Ⅳ紫外光谱显示部分小尺度结构谱线呈现非高斯形状,谱线两翼速度可达150 km·s-1,与太阳过渡区爆发事件的光谱特征相似。太阳过渡区爆发事件常出现在宁静区,SOHO/SUMER太阳紫外光谱仪的N Ⅳ谱线显示在南极区冕洞也可产生爆发事件,且具有较强的动力学特征。     

太阳的故事——光子大逃亡

 在前面几期中,我们介绍了发生在太阳核心区里的太阳能量产生机制。这一机制不仅在理论上可行,而且经过对太阳中微子的细心探测,以及对太阳中微子问题的艰辛求解,在观测上也得到了很漂亮的确立。从某种意义上讲,隐藏在太阳最深处的那个最远离经验的“恐怖核心”,反而可以说是成为了整个太阳结构中被我们了解得最可靠的部分。
如果说迄今为止我们的太阳故事所展现的大都是太阳研究中的坚实大地--那些被观测或实验牢牢确立了的事实或理论--的话,那么从本节开始,我们将会更多地去欣赏太阳研究中的绚烂天空--那些尚在云端里的谜团。我们将会看到,那样的谜团简直是层出不穷,而且在绝大多数谜团面前,我们再也没有像解决太阳能量产生机制或太阳中微子问题那样的好运气了,因为那些谜团中的绝大多数直到今天依然是未解之谜。当然,这本身未尝就不是一种好运气,尤其是对于正在从事或有志于从事太阳研究的人来说更是如此,因为生在一个有许多未解之谜可以探索的时代里,要远比生活在一个只能在“小数点后第六位数字”上做文章的时代幸运得多。     

太阳射电爆发中纤维精细结构频漂率的计算

太阳射电爆发中观测到的纤维精细结构携带着爆发初期磁场活动的小尺度信息.对原始的纤维结构观测资料进行算法处理,分析纤维结构的重要特征———频率漂移率.利用小波变换提取宁静太阳背景信息,用原始频谱图减去背景并经过阈值处理,纤维结构被很好地分离出来,然后在每个通道上找出构成纤维结构的连续片断,利用三次样条插值法对每个连续片断拟合其时间-强度关系,确定最大强度对应的时间,用线性回归方法计算纤维结构的频漂率.对2002年4月21日的一组纤维结构事件进行计算,得出其平均频漂率在-0.041 0~-0.013 8 GHz.s-1之间.     

日冕高温之谜

作为常识 ,我们都知道太阳表面的温度是 6 0 0 0K ,但在太阳表面附近的大气层 ,也就是一层薄薄的过渡层内 ,天文物理学家称之为日冕的区域 ,它的温度却可高达几百万度 .这个现象一直困扰着太阳物理学家们 ,他们不知道是什么原因使过渡层的温度会比太阳表面高出 10 0 0倍左右 .在 1990年 ,太阳与日光层观测卫星 (简称为SOHO)首次证实 ,在太阳表面围绕着一束磁力线网络 ,科学家们称之为光球 .这些磁力线都终结于太阳表面 ,因此在太阳表面处形成了一个固定出现的磁回路的“粗毛地毯” .磁回路间会发生相互间的合并、爆破、直至消失 .面对这些…     

基于太阳漫射板的星上定标方法研究

基于太阳漫射板的星上定标方法是一种具有高精度、高频次、高效率等优点的独立定标方法,是目前提高我国遥感定标精度的重要手段之一。文章阐述了基于太阳漫射板的星上定标原理、方法及实现过程,建立了空间辐射标准,同时给出了星上反射率定标物理模型。分析定标物理模型发现,影响星上定标不确定度最主要的因素是太阳漫射板BRDF实时量值的确定。为此,首先介绍了星上定标时机的选择,根据所确定定标时机的太阳照明角度对太阳漫射板在实验室相应入射角度下的BRDF进行了测量。通过对太阳漫射板从制作完成到星上使用寿命终结整个过程中各阶段的BRDF量值的监测及修正,确保太阳漫射板定标时刻可为遥感器提供精确已知的辐射输入,实现遥感器全寿命期的高精度星上定标。最后,结合国内对定标模型中相关参数项测量的不确定度水平,按照测量不确定度B类评定的方法对基于太阳漫射板星上定标不确定度进行了预估,可实现星上反射率定标不确定度优于2.03%,绝对辐射定标方法不确定度优于2.04%。     

西藏地面太阳总辐射与紫外线的观测

地面太阳光谱记录了太阳光经历大气层的烙印与信息,为大气环境、生态保护等研究提供实地依据。西藏高原空气稀薄,地面太阳辐射超强,观测西藏地面太阳光谱为太阳能利用提供实地数据。文章较系统地报道了西藏地面太阳光谱的实地观测结果,为相关高原科学研究提供高精度数据。利用RAMSES光谱仪、CMP6太阳总辐射仪和NILU-UV太阳紫外辐射仪对西藏不同地区、不同季节太阳光谱、太阳总辐射和太阳紫外线进行了全方位的实地观测研究。观测研究了高海拔的西藏拉萨和那曲以及低海拔的北京和成都的光谱特征;研究了拉萨二分二至当地正午（北京时间13:55时）太阳光谱观测结果;对西藏地面光谱与AM1.5和AM0标准光谱进行了对比研究。观测研究了西藏拉萨和那曲太阳总辐射、太阳紫外线强度特征。研究发现拉萨夏季可见和红外区光谱光强度甚至超过AM0光谱相应波长的强度,即：拉萨地面可见光和红外光强度偶尔超过大气层顶部的相应波长光强,是由部分云的反射增量所致;拉萨光谱谱峰出现在波长476.6 nm左右,在2017年的夏至观测到的最大值为2.331 W·m-2·nm-1。然而,对太阳紫外线（280～400 nm）光谱的观测发现地面太阳紫外区的光谱强度总是明显低于AM0光谱相应区光强,表明短波的紫外光被大气臭氧有效吸收。虽然拉萨海拔3 680 m,但通过对拉萨当地正午太阳紫外光谱分析发现拉萨地面波长小于300 nm的太阳紫外光谱强度几乎为零,表明波长小于300 nm的太阳紫外线被大气层吸收,没有到达地面。同时,研究了西藏高海拔太阳光谱与北京、成都低海拔太阳光谱特征,揭示了各地大气成分、含量等诸多信息。报道了2010年7月-2013年12月期间西藏太阳总辐射的观测结果;结果显示拉萨当日太阳总辐射最大值中约18%超过了太阳常数（1 367 W·m-2）。观测发现拉萨太阳总辐射瞬时最大值达到了1 756.09 W·m-2（2011年6月24日）。报道了2008年7月-2013年12月期间西藏太阳紫外线的观测结果;结果显示拉萨和那曲UVA日最大值平均值约为67 W·m-2,UVB日最大值平均值约为5.1 W·m-2;拉萨和那曲当日太阳紫外线A和紫外线B最大值变化趋势保持了很好的一致性,在5年多的观测期间紫外线强度没有出现明显的增强或减弱趋势。     

物理学2021年度亮点

与太阳约会 美国宇航局的Parker太阳探测器比其他任何人造物体都更接近太阳.2021年4月,宇宙飞船将探测器带到距离太阳中心18个太阳半径(1300万千米)的绕日轨道(图1).它进入了日冕的一个高度磁化区域,在那里磁能主导着等离子体的动能.该探测器测量了等离子体的湍流和磁场的涨落,为太阳科学家提供了关于太阳风驱动机制...     

空间太阳极紫外三波段成像光谱仪系统设计

太阳上层大气,即日冕、过渡区和色球,是由炽热的高度动态的磁化等离子体构成,其中高度电离的离子发射出丰富的极紫外谱线。空间太阳极紫外光谱成像观测对于捕获太阳上层大气中爆发活动的动态物理演化过程,以及实现对大气等离子体特征参数的精确测量具有重要的意义。然而现有的极紫外光谱成像仪器只能针对太阳上层大气的一个或两个目标区域进行成像观测,缺乏采用单一仪器对整个太阳上层大气区域在大空间和宽波段尺度范围内的光谱进行诊断的能力,严重制约了人们对太阳爆发活动中的能量及物质输运过程的理解。为了利用单个仪器实现对日冕、过渡区和色球的高分辨率同时诊断观测,本文提出并设计了一款同时工作在17～21 nm、70～80 nm和95～105 nm三个波段的太阳极紫外成像光谱仪,该仪器基于非罗兰圆结构下的椭球面变线距（EVLS）光栅像差校正理论,采用狭缝扫描式成像光谱结构,实现了具有大离轴狭缝视场的高空间、高光谱分辨的消像散光谱成像。基于蒙特卡罗统计模拟方法对太阳极紫外三波段成像光谱仪的最优模型开展光线追迹仿真实验,仿真结果表明,所设计的成像光谱仪取得了良好的光栅像差校正效果,系统空间分辨率优于0.6″,光谱分辨率在1...     

利用超新星爆发测量电子中微子静止质量

综述了中微子静止质量ｍυｅ的测量方法与结果,侧重介绍了超新星ＳＮ８７Ａ中微子测量的结果,即得到具有能量为８ＭｅＶ和３６ＭｅＶ的中微子飞行时间差,对于Ｋａｍｉｏｋａｎｄｅ,ＩＭＢ,Ｂａｋｓｏｎ分别为１．９ｓ,６ｓ和９ｓ,由此给出电子中微子静止质量上限为１４ｅＶ「９５％置信水平（Ｃ．Ｌ．）」,并且描述了计划建造的新型太阳中微子能谱仪,该谱仪在观测太阳中微子能谱的同时,将兼测超新星中微子,提供了在ｍυｅ〈１ｅＶ范围内测量中微子静止质量的可能性。     

用羊八井太阳宇宙线探测装置对太阳耀斑中子的初步探测

羊八井的地理优势特别适合于对太阳耀斑中子的观测.中日双方合作在羊八井建造了太阳中子望远镜和中子监测器,准备在第23太阳活动周的峰年到来之际,对太阳耀斑中子进行观测.设备于1998年10月开始采集数据,并在1998年11月28日观察到伴随一次X3.3级耀斑的计数超出.本文报道初步的探测结果.