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。     

太阳爆发日珥内双向喷流事件的紫外光谱研究（英文）

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SiⅢ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SiⅢ谱线分析,找出宽度大于三个标准偏差的SiⅢ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。     

太阳过渡区紫外光谱的观测与诊断

太阳过渡区是太阳色球层顶到日冕底部的大气薄层。厚度仅几百千米,但其间太阳等离子体参数变化剧烈。过渡区的辐射多为光学薄的远紫外、极紫外发射谱线和背景连续谱线。由于地球大气的吸收,过渡区紫外光谱需通过天基观测才能实现。近几十年来,星载仪器的成功发射为太阳过渡区的研究打开了新纪元。工作回顾了太阳过渡区紫外光谱的观测历史和各类星载仪器,特别介绍了近十几年几种重要的光谱仪器。详细阐述了过渡区紫外光谱的发生率、电子密度和电子温度的诊断原理。讨论了过渡区紫外谱线的形状,并以SOHO/SUMER光谱仪为例介绍了表征谱线的几种重要参量及其物理意义。     

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...     

面阵傅里叶变换太阳光谱仪高速采集系统设计与实现

同时或准同时多谱线太阳成像观测可以获得太阳大气三维磁场和热力学参数,是未来太阳观测焦面终端设备的重点发展方向。傅里叶光谱仪具有宽波段、高灵敏度、高光谱分辨率的优势,但因受限于高帧频、大面阵探测器制约,尚未用于太阳光谱成像常规观测。随着CMOS图像传感器技术迅猛发展,在可见光和近红外波段,探测器面阵大小和帧频相比传统CCD探测器有了质的提升,使得面阵傅里叶太阳光谱仪研制成为可能。通过引入高帧频面阵CMOS图像传感器,针对面阵傅里叶变换太阳光谱仪科学需求,设计了一套高速数据采集软硬件系统,实现了面阵傅里叶太阳光谱仪10 kHz高速触发,万帧/秒快速采集,0.5 GB·s-1大数据量连续、实时存储等功能。在此基础上,依托国家天文台怀柔太阳观测基地现有的IFS-125HR傅里叶变换光谱仪, 搭建可见光实验系统,以可见光色球谱线（Hα 656.3 nm）及其附近光球谱线为目标波长,开展面源太阳光谱探测。分别以实验室钨灯和太阳为光源,进行等光程差间隔采样,成功获得了面阵干涉图,首次反演得到面源窄带连续谱以及656.3 nm附近太阳色球和光球线。采用交叉定标方式,将得到的太阳光谱与美国国立太阳天文台NSO傅里叶变换光谱仪获得的标准光谱在同等分辨率下进行比较,结果基本一致,验证了新研制的面阵傅里叶太阳光谱仪高速数据采集系统性能及面阵傅里叶变换太阳光谱仪在太阳观测中的可行性。该研究为后续可见光宽波段面阵傅里叶太阳光谱仪的研制奠定了技术基础,同时为“用于太阳磁场精确测量的中红外观测系统”（AIMS）后续从线源扩展到面源观测积累了宝贵经验。     

不同光谱型的低分辨率恒星光谱在不同信噪比条件下视向速度测量精度的分析

恒星的视向速度对于研究银河系的演化结构和动力学有很重要的意义,同时也是寻找变源和特殊天体的一种手段。不同的研究对其测量精度有不一样的要求。使用模板匹配的方法计算不同类型的低分辨率可见光波段恒星光谱的视向速度精度,从而为不同方面的科学研究提供有效可靠的参考。分别选取不同光谱型高信噪比的美国斯隆巡天恒星光谱,并加以噪声来模拟不同信噪比条件下的恒星光谱。通过分别计算这些恒星样本的视向速度,定量分析了各种类型的恒星在不同信噪比条件下能达到的视向速度测量精度。同时,还就白矮星的视向速度测量精度进行了分析。结果显示,对于相同信噪比的早型恒星的视向速度测量精度远没有晚型恒星的测量精度高,尤其是A型星的视向速度测量标准误差是K型星和M型星的5~8倍。分析其原因,主要是由于不同类型恒星的具有不同宽度的谱线所导致的。因此对于具有更宽谱线的白矮星光谱的视向速度测量误差更大,可达50 km·s-1。以上结论将为恒星科学研究提供很好的参考。     

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.     

中国SONG项目高分辨光谱仪与高精度恒星震动视向速度测量

中国SONG项目(Stellar Observations Network Group)是中国天文界参与的一个国际合作的天文学研究计划。其核心是利用高分辩光谱仪获取恒星的时序光谱。光谱仪的分辨率根据科学目标的要求,用不同的狭缝宽度实现R=60 000～120 000。利用碘蒸汽发射线定标的方法,实现高达1 m·s-1的视向速度测量精度,以此测量恒星表面由于恒星震动产生的多普勒运动,并实现项目的科学目标。SONG光谱仪是项目的核心设备,将介绍光谱仪的性能和天体物理应用的参数,并给出实际测量结果。作为一个测量恒星表面多普勒运动时序数据的仪器,整个系统的长期稳定性是项目取得成功的关键,在此也将展示仪器稳定性方面的工作。     

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).     

基于自发辐射光谱的超声速流场测速技术

等离子体状态参数测量是研究等离子体特性,开展等离子体模拟再入环境、等离子体隐身、等离子体减阻以及边界层控制等研究的重要基础。利用等离子体射流的自发辐射光谱,提出了一种基于光学多普勒频移效应的等离子体超声速射流测速的方法。首先,测量了等离子体中Ar原子产生的自发辐射光谱,选择696.54 nm的特征谱线,作为等离子体发生器测速实验的运动光源;其次,使用光谱仪、传能光纤、EMCCD相机和高光谱分辨法布里-珀罗（F-P）干涉仪,设计了高温等离子体速度测量光路;最后,在氩壁稳电弧等离子体发生器上,开展了超声速射流速度测量实验。实验中,同一测点的Ar原子产生的自发辐射光谱,分别被与等离子体射流运动方向成49°和90°夹角的收集透镜收集进入光谱仪,经光谱仪分光后仅保留特征谱线696.54 nm附近自发辐射光进入传能光纤,从而消除其他波长的自发辐射光的影响;光谱仪输出的特征辐射光谱,经光纤传输及透镜整形成平行光后,精细度30、自由光谱范围6.6 GHz的F-P干涉仪,形成多光束干涉圆环,并由EMCCD相机采集,实现对特征谱线的超高精度分辨;根据多普勒原理,不同角度收集的同一测点处Ar 696.54 nm特征谱线的频移将有所不同,EMCCD采集的干涉圆环半径也将不同,通过测量同一级次不同收集方向特征谱线形成的干涉圆环半径改变量,可测得高温等离子体射流流动速度。针对同一喷管开展了两车对比试验,实验测得两车射流轴向速度分别为791和783 m·s-1,具有较好的重复性。结果表明基于多普勒效应,利用高温气体自发辐射光谱,结合高光谱分辨F-P干涉仪,能够实现高温等离子体射流速度的精确测量,该方法属于非接触测量,不干扰流场,尤其适用于传统传感器难以应用的高温流场测量。     

冲击压缩状态下液态一氧化碳和氮混合物的发射光谱

利用二级轻气炮驱动铜飞片以2.21 km·s-1的速度撞击铝合金低温靶,产生速度为18.76 km·s-1的一维冲击波作用于等比例冷凝的一氧化碳和氮均匀混合液体样品.同时,借助增强光电耦合传感器及瞬态摄谱技术捕获到冲击压力为33.5 GPa下样品完全离解成等离子体时的线状光谱.分析这些数据可知,文章所述的六通道光谱系统能可靠地测量和记录介质的冲击压缩一发光过程;其中主要产物的发射谱线表明,一氧化碳和氮均质体已经发生了化学反应和相变.此外,与中心波长较高的谱线强度相比,488 nm通道的光谱强度明显较高的事实,也证明高密度碳氢液体在冲击压力作用下确实存在从"光学薄"到"光学厚"的转变.     

The effects of coronal holes on the propagation of solar energetic protons.

The accurate prediction of the start of a Solar Energetic Particle Event (SEP) is a high priority for space weather forecasters. The Space Environment Center (SEC) has recorded parameters related to SEPs since 1976, and that list includes a total of 134 events for the period 1976-1997. The onset times of individual events are variable, especially SEPs originating from the solar eastern hemisphere. An examination of the data shows the full set can be divided into two families--those that begin at the geosynchronous satellite at a time consistent with what would be expected for activity from a given heliolongitude, and those whose onset is later than what accepted forecast techniques would predict. There are 21 "long onset" events in this historical record. Seeking to understand what factors distinguished the slow-to-arrive events, Helium I 1083.0 nm observations were examined for the presence of coronal holes at the times of the SEPs. It was found that all SEPs with long onset times had a coronal hole situated between the flare site and the footpoint of the interplanetary magnetic field line connecting to Earth (Kunches and Zwickl, 1997 Solar-Terrestrial Predictions-V, Hiraiso Solar-Terrestrial Research Center, Ibaraki, Japan). This coronal hole configuration is important for accurate predictions, although the hole may serve as merely a proxy for the plasma conditions that actually affect the propagation and acceleration of the protons. Since coronal holes are easily identifiable using Helium I and other wavelengths, operational forecasters can employ this technique to improve their predictions of SEPs.     

Coronal mass ejections (CMEs) and their geoeffectiveness

The Sun's activity drives the variability of geospace (i.e., near-Earth environment). Observations show that the ejection of plasma from the Sun, called coronal mass ejections (CMEs), are the major cause of geomagnetic storms. This global-scale solar dynamical feature of coronal mass ejection was discovered almost three decades ago by the use of space-borne coronagraphs (OSO-7, Skylab/ATM and P78-1). Significant progress has been made in understanding the physical nature of the CMEs. Observations show that these global-scale CMEs have size in the order of a solar radius (~6.7×10⁵ km) near the Sun, and each event involves a mass of about 10¹⁵ g and an energy comparable to that of a large flare on the order of 10³² ergs. The radial propagation speeds of CMEs have a wide range from tens to thousands of kilometers per second. Thus, the transit time to near Earth's environment [i.e., 1 AU (astronomical unit)] can be as fast as 40 hours to 100 hours. The typical transit time for geoeffective events is ~60-80 h. This paper consists of two parts: 1) A summary of the observed CMEs from Skylab to the present SOHO will be presented. Special attention will be made to SOHO/LASCO/EIT observations and their characteristics leading to a geoeffective CME. 2) The chronological development of theory and models to interpret the physical nature of this fascinating phenomenon will be reviewed. Finally, an example will be presented to illustrate the geoeffectiveness of the CMEs by using both observation and model     

激光产生的钴离子体x射线发射光谱

用TlAP平晶谱仪记录了8～15波长范围内钴的激光等离子体X射线发射光谱。根据等离子数序离子光谱的规律性,识别和归类了其中大部分谱线,它们分别属于类钠至类锂之间各电离级离子跃迁。     

On ejection of solar plasma enriched with 3He and Fe I at boundaries of coronal holes

The spectra and spectroheliograms in the He I λ = 1083.03 nm IR-line obtained with the horizontal solar telescope of the Sternberg State Astronomical Institute (SSAI) of Moscow State University are analyzed for the purpose of studying the increased solar activity at the boundaries of coronal holes. Our observations demonstrate plasma flux intensification at the boundary separating a coronal hole and a bipolar active region. In this case, the spectra in the vicinity of the He I λ = 1083.03 nm line point to a significant intensification in the lines of light isotope ³He I λ = 1083.168 nm and Fe I λ = 1082.837 nm. Acceleration of solar plasma fluxes at the coronal hole boundary in the immediate vicinity of an active region seems to be the result of reconnection of bipolar structure magnetic fields in the active region and a unipolar field of the coronal hole. The nature of ³He and Fe I particle enrichment in upward fluxes at the coronal hole boundaries is discussed. Original Russian Text ? L.M. Kozlova, B.V. Somov, 2009, published in Vestnik Moskovskogo Universiteta. Fizika, 2009, No. 3, pp. 94–98.     

可获得高分辨率谱线信息的新型太阳极紫外成像仪

极紫外光谱观测和诊断是研究太阳大气基本物理过程的最重要手段之一。但因为波长短,很多可见光仪器的设计方案不再适用,且极紫外观测只能在太空中开展。国际上现有卫星上的太阳极紫外成像仪和光谱仪都有各自的不足,比如极紫外成像仪不能获得高光谱分辨率的谱线信息;狭缝式光谱仪通过扫描可得到活动区域的信息,但扫描时间过长,对于研究剧烈变化的太阳活动有很大的局限性。这些不足制约了对日冕物质抛射(CME)和耀斑等太阳活动的高精度观测及对其机理的研究：无法看到CME在内日冕的加速过程,而且无法将可见光看到的CME现象同极紫外看到的日面源区直接联系;缺少观测目标的视向速度信息,难以识别CME的触发过程。采用多级衍射成像方式的一种新型太阳极紫外成像仪,除实现传统极紫外成像仪功能外,还可以在太阳活动变化过程中同步获得全日面各区域的光谱信息。新型成像仪可以得到高光谱分辨率数据,用于反演低日冕的等离子体视向速度,获得全日面的速度分布,与同时得到的高空间分辨率图像相结合,可以识别太阳活动现象对应的物质运动, 为空间科学研究提供数据;因为没有狭缝和运动部件,可以实现对大视场的太阳活动区域的高时间分辨率成像,有利于捕捉日面活动的快速变化。新型成像仪采用无狭缝光谱分光成像的设计理念,即同一时间把一定光谱带宽的信息记录到一个二维的图像上,此过程可以看成是从某一个角度将空间和光谱数据立方体投影到一个面上,然后再利用反演得到空间分辨图像和光谱信息。多级光谱成像的光学设计与传统光谱仪最大的不同是其不存在逐行扫描的狭缝,这使得其能够同时获得大视场内太阳的空间信息和光谱信息。因为极紫外波段的特殊性,以及本仪器面向卫星遥感应用,不可能像可见光波段或者医用CT机一样实现很多衍射级的同时成像。因此,新型极紫外成像仪光学系统由反射镜、色散光栅和五个探测器组成,入射的太阳极紫外辐射经过光栅色散后分别由五个级次的探测器接收,其中四个探测器分部接收±1和±2衍射级图像,另外一个接收0级图像。空间信息可以直接从0级图像得到,而光谱信息则需要根据五个级次成像的反演结果得出。介绍了光学系统的设计以及反演算法,并分析了反演算法的误差。光路基于变间距光栅设计,可实现空间分辨率1.8 arcsec·pixel-1, 光谱分辨率7.8×10-3 nm·pixel-1,同时减小了体积和重量,适合空间应用。     

Method to Calculate the Opacity of the Solar C III Spectral Lines

In this paper, using the intensity ratio between two spectral lines arising from the same lower level instead of the same upper level, we discuss the optical depth of the solar C III emission lines. The optical depth at the line center of the (2–2) component is calculated, which is in good agreement with the results derived by the previous method. The benefits of this method are discussed. Using the measured abundance of carbon in the solar spectrum and the results of ionization balance calculations, we estimate the line-of-sight physical thickness of the regions emitting C III lines, which is smaller than the previous result.     

The influence of the stray-light component in determining coronal temperature structures

We use a few solar partial eclipse observations made by XRT/Hinode to estimate the influence of stray-light component in determining coronal temperature structures. Our analysis shows that the stray light will largely affect the estimation of coronal temperature and change the estimated temperature structure in one coronal hole region. The stray lights mildly influence the estimated temperatures in one quiet Sun region and do not change the estimated temperature structure. This implies that the influence of stray lights differs from one region to another, and definitely needs to be considered in some regions. Whereas a carefully estimated point-spread-function is needed to remove the stray light component, our study shows that by a simple approach such as subtracting the average intensity of distant (e.g. >1.4 solar radius) points from the data values, the influence of stray light can be largely removed, at least for the two regions we study here.     

Temporal and spectral analysis of capillary-discharge-pumped Ar<Superscript>8+</Superscript> lasers

We measure temporal and spectral characteristics of soft X-ray lasers based on capillary discharge, employing flat-field and Rowland spectrographs for analyzing the spectrum of a Ne-like Ar soft Xray laser and a monochromator for analyzing its temporal behavior on the 46.9 nm laser line. The monochromator provides the time resolution for a single wavelength; therefore, the pulse width and the onset time of the laser pulse can be reliably measured. In spite of the fact that the flat field spectrograph is relatively difficult to adjust (due to the long distance between the entrance slit and the grating), we obtained a fine spectrum with a fairly high precision. In contrast, the Rowland spectrograph is widely used, easily adjusted, and provides instantaneously visible results, but its detection precision is just between that of the monochromator and the flat-field spectrograph. Each of these three types of devices is characterized by its own strong point for the accurate detection and study of the spectrum of a Ne-like Ar laser at J = 0− 1 and wavelength 46.9 nm.