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。     

极紫外波段的太阳磁重联结构

<正>封面图显示的是2011年8月17日太阳爆发事件中磁场进行重联的伪彩色图像。其中红色代表温度相对较低的百万度级的日冕环,绿色代表重联后新形成的千万度级的耀斑环,蓝色显示的是太阳表面的结构。图中以地球的大小来对比一个中等级太阳爆发的规模尺度。图像数据来自美国国家航空航天局(NASA)的太阳动力学观测卫星(SDO),后由苏杨处理合成该封面图。     

太阳辐射计直射通道实验室定标方法研究

利用可调谐激光器作为光源,以溯源于低温绝对辐射计的标准辐照度探测器作为传递标准,将可调谐激光导入积分球,通过功率稳定、退相干等措施,形成均匀、稳定、无偏的辐照度场。利用替代定标技术,对太阳辐射计CE318的870nm直射通道的三个偏振通道(P1、P2和P3)和无偏通道(UP)的绝对光谱辐照度响应度进行了光谱扫描定标,获得这四个通道的光谱辐照度响应度,并预测了大气层顶太阳辐照度的信号值。最后,对定标过程的不确定度进行评价,三个偏振通道和无偏通道的定标不确定度分别达到了1.83%、1.98%、1.73%和1.2%,与Langley定标法定标精度相当。     

基于射电观测的日冕物质抛射驱动激波的统计特征研究

本文基于Wind/WAVES和STEREO/SWAVES等多卫星射电观测资料,选择第24太阳活动周2007年1月至2015年12月期间77个Ⅱ型射电暴样本事件,拟合其激波速度,分析了激波参数与日冕物质抛射(CME)、耀斑和太阳高能粒子(SEP)等参数的相关关系及变化规律,并探讨了射电增强对这些关系的影响.研究结果显示:1)在Ⅱ型射电暴十米百米(DH)波段范围起始时刻,激波高度比CME前沿高度略高一点,即激波脱体距离(standoff distance)约0.4 Rs,且这个高度随CME向外传播而增大.在低日冕和高日冕,激波脱体距离随CME速度的变化呈现明显相反的规律;在低高度上, CME速度快,激波脱体距离大,而在高高度上, CME速度慢,脱体距离大. 2)射电增强伴随事件的CME速度明显大于无射电增强事件;射电增强伴随事件的激波速度与CME质量、动能的相关性明显好于无射电增强伴随事件. 3)有射电增强伴随的Ⅱ型射电暴DH波段持续时间与CME速度、质量、动能之间无明显相关性,而无射电增强事件的DH波段持续时间与这三个量之间呈正相关. 4)产生SEP事件的激波速度明显大于未产生SEP事件的激波速度;有射电增强伴随的Ⅱ型射电暴(激波)事件产生SEP事件的比例略高于无射电增强事件(73.5% 67.4%),但射电增强事件产生大SEP事件(large SEP event)的比例(67.6%)明显高于无射电增强事件(37.2%).进一步表明, Ⅱ型射电暴射电增强可作为其驱动源(激波)大概率产生大SEP事件的辨别信号之一.     

超新星研究的科学意义

 恒星(变星)渡过它漫长的一生到晚期临终时,不是默默无闻的,而往往要发生一次巨大的自我爆发,爆发时把大量物质抛向星际空间,释放出大量能量,而它的亮度会骤然增加几千万倍,甚至几十亿倍,随后又慢慢暗淡下去(一般用肉眼观察亮度持续时间在6个月以上)。宇宙中这种壮观无比的爆发恒星称为超新星。超新星是恒星世界中活动最剧烈的星体,也是物理学和天文学研究的重要前沿课题之一。     

基于MODIS植被指数时间谱的太湖2001年—2013年蓝藻爆发监测

藻类水华爆发已成为影响内陆水体生态环境的重要因素。遥感能够提供实时的大范围观测,在水华监测中起到越来越重要的作用。遥感植被指数已广泛应用于藻类水华监测中,通过对研究区植被指数图像进行阈值分割,能够反映不同子区域内的藻类爆发程度;然而阈值分割法的结果只能反映某一时间点(图像获取时)的藻类爆发状况,无法表征长时间内藻类的变化。相比于单个时间点的植被指数,植被指数时间谱(时谱)包含藻类的物候信息,能够更加全面准确地反映藻类的长时间变化。目前,植被指数时间谱还尚未应用到水华相关研究中。选取2001年—2013年太湖区域的MODIS NDVI数据,构建年度NDVI时谱数据,利用(support vector machine, SVM)方法对每年的太湖蓝藻水华爆发强度进行分类,将太湖重度、中度和轻度蓝藻水华爆发的区域以及水生植物的区域提取出来,得到其空间分布和面积;并从2007年的时谱数据中抽取了8个时间点的NDVI图像,利用传统阈值分割法提取太湖重度、中度和轻度蓝藻水华爆发的区域,将结果与2007年时谱数据分类的结果进行对比。结果表明：所提出的方法能够更加全面准确地对太湖蓝藻爆发强度进行分类,通过NDVI时谱曲线提供的丰富物候信息可准确区分蓝藻与水生植被区域。本研究有望为准确掌握和预测藻类水华的爆发趋势及强度提供有效手段。     

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…     

用银河宇宙线数据分析1991年3月24日CME的结构

依据CME到达磁层时会引起银河宇宙线强度的突然下降，利用小波分析方法确定宇宙线强度变化的突变时刻，判断CME到达磁层顶的时刻，从而得到这次CME在磁层顶附近的结构.分析结果表明，CME驱动的激波厚度约为02228AU，CME的前端到CME最强磁场结构的空间尺度约为0325AU． 关键词： CME 地磁暴 银河宇宙线 小波分析     

太阳高能耀斑:粒子加速和核反应

 宇宙之中,从地球磁层、恒星大气、活动星系到类星体,到处都存在着等离子体,它们经常产生爆发现象.这种宇宙等离子体爆发的最普遍特性,是能量脉冲式的释放,以及粒子被加速到非常高的能量.     

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。     

日冕喷流触发冕环横向振荡

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...     

Investigation of experimental observables in search of the chiral magnetic effect in heavy-ion collisions in the STAR experiment

The chiral magnetic effect(CME)is a novel transport phenomenon,arising from the interplay between quantum anomalies and strong magnetic fields in chiral systems.In high-energy nuclear collisions,the CME may survive the expansion of the quark-gluon plasma fireball and be detected in experiments.Over the past two decades,experimental searches for the CME have attracted extensive interest at the Relativistic Heavy Ion Collider(RHIC)and the Large Hadron Collider(LHC).The main goal of this study is to investigate three pertinent experimental approaches:the$\gamma$correlator,the R correlator,and the signed balance functions.We exploit simple Monte Carlo simulations and a realistic event generator(EBE-AVFD)to verify the equivalence of the core components among these methods and to ascertain their sensitivities to the CME signal and the background contributions for the isobar collisions at the RHIC.     

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 ...     

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).     

行星际日冕物质抛射引起福布斯下降的一维随机微分模拟

福布斯下降(Forbush decrease,FD)是银河宇宙线(galactic cosmic rays,GCRs)受短期剧烈太阳活动调制的重要现象之一.本文设GCRs进入由行星际日冕物质抛射(interplanetary coronal mass ejection,ICME)及其前沿激波共同形成的扰动区时,其径向扩散系数κ_(rr)受抑制变为μ(r)·κ_(rr)(0μ(r)1),且抑制强度与粒子位置处的太阳风等离子体速度正相关.对任意时刻的扰动区,抑制系数μ(r)在激波处最小为μ(r_(sh)),并按指数规律增大,在ICME尾部归一.CME爆发时,μ(r_(sh))取全局最小值μm.在扰动区向日球层外传播的过程中,μ(r_(sh))逐步恢复为1.在此基础上,根据GOES和ACE卫星观测确定模型参数,用一维随机微分方程描述GCRs在日球层内的传播,并采用倒向随机方法模拟了一个由独立Halo ICME调制GCRs引起的2005年5月15日FD事件.计算所得地面中子通量的主相、恢复相及其在CME到达地球前的增加过程,均与Oulu中子探测器观测结果一致.     

Numerical Simulation of the 12 May 1997 CME Event

Our newly developed CESE MHD model is used to simulate sun-earth connection event with the well-studied 12 May 1997 CME event as an example. The main features and approximations of our numerical model are as follows： （1） The modifed conservation element and solution element （CESE） numerical scheme in spherical geometry is implemented in our code. （2） The background solar wind is derived from a 3D time-dependent numerical MHD model by input measured photospheric magnetic fields. （3） Transient disturbances are derived from solar surface by introducing a mass flow of hot plasma. The numerical simulation has enabled us to predict the arrival of the interplanetary shock and provided us with a relatively satisfactory comparison with the WIND spacecraft observations.     

日冕物质抛射引起地磁扰动的分类预报

对1997—2003年期间引起地磁扰动的72个加速日冕物质抛射(CME)事件和69个减速CME事件进行了特性分析，并针对经行星际闪烁(IPS)认证的32个加速CME引起的地磁扰动事件和32个减速CME引起的地磁扰动事件分类建立了新的从属函数μ_T和新的磁扰开始时间修正项, 经验证预报效果得到显著提高.对于加速CME引起的地磁扰动事件，磁扰开始时间的预报值T_pre与观测值T_obs比较，相对误差ΔT_pre/T_obs≤10%的事件占总事件数的21.86%；ΔT_pre/T_obs≤30%的事件为78.13%；而ΔT_pre/T_obs>50%的事件为9.36%；对于减速CME引起的地磁扰动事件相对误差ΔT_pre/T_obs≤10%的事件占总事件数的25.00%；ΔT_pre/T_obs≤30%的事件为84.37%；而ΔT_pre/T_obs>50%的事件仅为3.13%.这表明该预报方法对空间灾害性事件的磁扰动的定量预报具有很大的现实可能性. 关键词： 日冕物质抛射 地磁扰动 从属函数     

用于粗校和精调及检验的激光准直系统

没有经过精确校直的轴可以将额外负载加到轴承、垫圈以及联结器上,这是因为不同轴度可以产生力矩。SKF公司用于测量和校准机床的数字激光组合系统可以防止这种情况的发生。激光系统,即数字激光器、数字激光组合系统和点/线激光器是最通用的系统。采用这类系统可以检查机床的平直度、平面度和垂直度,可将卡盘校平行,而使工件定中心。与常规方法相比,测量车床只有15%的时间,而将10米长的传动轴与两个轴校直只花2小时而不是几天。采用激光技术,不仅能使校直操作更快,而且更精确。     

太阳日冕物质抛射的磁流体力学性质

太阳是离地球最近的一颗恒星，太阳日冕物质抛射是太阳大气中最剧烈的一种活动现象．当日冕物质抛射爆发时，大量的等离子体物质从接近太阳日面的低日冕被抛出，瞬时释放出巨大的能量．当一部分这些物质和能量传播到地球附近时，可以造成短波通讯中断、卫星工作失常等破坏性现象．文章作者认为，是缠绕的太阳磁场提供了足够的能量，使这些日冕物质可以克服恒星的重力以及周边磁场的束缚抛射出来；而磁螺度在日冕中的不断积累，不仅为日冕物质抛射提供了能量基础，而且使爆发在一定程度上成为一种日冕演化的必然。     

宇宙的未来

 关于宇宙起源的理论,目前比较有说服力的是大爆炸理论。该理论认为:宇宙创生于大约200亿年前一次大爆炸。爆发前的“原始火球”,其温度极高(>10³²K),质量密度大得惊人（估计其线度只有几公里,有人还推算出只有质子那么大一点）。火球内完全没有什么规律,完全处于奇异状态。