李子涵 劉煜,3 張雪飛 梁紅飛 沙飛揚(yáng) 于晉 敦金平

(1 云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 昆明 650500)

(2 中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái) 昆明 650011)

(3 西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 成都 611756)

(4 中國(guó)華云氣象科技集團(tuán)有限公司 北京 100081)

(5 中國(guó)氣象局空間天氣重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家衛(wèi)星氣象中心(國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心);許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心 北京 100081)

1 引言

日冕是太陽(yáng)大氣的最外層, 由高度電離低密度的熱等離子體構(gòu)成, 溫度能夠達(dá)到百萬(wàn)度, 是大規(guī)模太陽(yáng)活動(dòng)和災(zāi)難性空間天氣的起源, 它包含了極其豐富的信息和各種物理過(guò)程. 早在2000多年前,中國(guó)古代已經(jīng)有了日食的觀測(cè)記錄, 1851年首次在日食時(shí)成功進(jìn)行了日冕照相[1].

法國(guó)科學(xué)家里奧(Bernard.Lyot)于1931年發(fā)明了日冕儀, 并首次成功地在無(wú)日食條件下觀測(cè)到了日冕[2]. 日冕儀能夠直接探測(cè)到日冕信號(hào)的一個(gè)前提是, 觀測(cè)地點(diǎn)的天空背景亮度必須盡可能低. 為了最大限度地消除散射光, 一般在海拔3000 m左右的高山上進(jìn)行日冕儀的觀測(cè), 當(dāng)天氣晴朗時(shí), 太陽(yáng)附近的天空亮度可低達(dá)日面亮度的10-5量級(jí), 可通過(guò)日冕儀觀測(cè)到內(nèi)冕[1].

日冕綠線(xiàn)(5303 ?A)最早是在日食期間觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的[3], 里奧發(fā)明日冕儀之后該線(xiàn)被廣泛用于日冕的常規(guī)觀測(cè). 5303 ?A屬于FeXIV基態(tài)的磁偶極子躍遷, 由FeXIV離子P軌道磁量子數(shù)3/2到1/2 (光譜項(xiàng)2P3/2-2P1/2)躍遷產(chǎn)生[4], 它的形成溫度約為1.8×106K, 是日冕中最強(qiáng)的可見(jiàn)光波段發(fā)射線(xiàn), 也是日全食期間被人們廣泛使用的一條譜線(xiàn). 正是通過(guò)長(zhǎng)期積累的地面5303 ?A觀測(cè)資料, 國(guó)際上為研究日冕長(zhǎng)周期活動(dòng)專(zhuān)門(mén)定義了日冕指數(shù)這一重要指標(biāo)(Coronal Index, CI)[5–6].

磁場(chǎng)是控制太陽(yáng)活動(dòng)的重要物理量, 太陽(yáng)耀斑、日冕波等日冕活動(dòng)都與磁場(chǎng)有關(guān)[7–9]. 太陽(yáng)大氣中的等離子體主要分布于磁結(jié)構(gòu)中, 在極紫外(Extremely ultraviolet)波段或X射線(xiàn)波段觀察到了太陽(yáng)大氣中充滿(mǎn)了明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)[10–11]. 由于這些環(huán)比周?chē)牡入x子體要亮得多, 這意味著其內(nèi)部壓力和密度的相對(duì)增強(qiáng). 日冕中的環(huán)狀結(jié)構(gòu)也被稱(chēng)為冕環(huán), 廣泛分布在太陽(yáng)寧?kù)o區(qū)和活動(dòng)區(qū)中[12], 形態(tài)與磁結(jié)構(gòu)類(lèi)似[13–15], 可以很好地反映磁結(jié)構(gòu), 也是光球與日冕之間的能量通道.不同的日冕發(fā)射線(xiàn),比如日冕紅線(xiàn)和綠線(xiàn), 可以顯示不同的日冕磁場(chǎng)的局部結(jié)構(gòu)[16]. 對(duì)于日冕綠線(xiàn)FeXIV, 1997年Wang等人利用SOHO (Solar and Heliospheric Observatory)飛船上搭載的LASCO (Large-Angle Spectroscopic Coronagraph)-C1日冕儀觀測(cè)資料研究發(fā)現(xiàn)大尺度日冕溫度、強(qiáng)度分布與底層光球(冕環(huán)足點(diǎn)處)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度密切相關(guān)[17], 表明日冕綠線(xiàn)和日冕磁場(chǎng)具有一定程度的相關(guān)性, 并且相關(guān)系數(shù)隨著日冕高度遞減(從1.5R⊙到1.15R⊙,R⊙為太陽(yáng)半徑)有明顯變大的趨勢(shì), 但受C1觀測(cè)視場(chǎng)影響, 最小高度限制在1.1R⊙. 借助麗江地面日冕儀觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)(其日冕觀測(cè)的最低高度可達(dá)1.03R⊙),Zhang等人在最近的統(tǒng)計(jì)研究中也發(fā)現(xiàn)在1.1R⊙以上范圍內(nèi), 不同緯度冕環(huán)強(qiáng)度與磁場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)較高[18], 并首次明確指出相關(guān)系數(shù)最大值應(yīng)該發(fā)生在1.1R⊙高度處附近. Zhang等人[18]同時(shí)也指出在冕環(huán)頂部具有更高的相關(guān)系數(shù), 磁場(chǎng)對(duì)高溫日冕輻射的主導(dǎo)作用在閉合冕環(huán)中占比更大, 暗示了基于日冕綠線(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)定量研究磁場(chǎng)和日冕強(qiáng)度更具有參考. 重要的是該研究[18]表明冕環(huán)足點(diǎn)亮度與磁場(chǎng)強(qiáng)度弱的相關(guān)性反映了足點(diǎn)附近的日冕加熱機(jī)制與環(huán)頂部不同, 這一發(fā)現(xiàn)意味著電流耗散(dissipation of currents), 阿爾芬波和磁聲波耗散(dissipation of Alfven and magnetosonic waves)加熱機(jī)制或許在整個(gè)冕環(huán)系統(tǒng)中同時(shí)存在, 但電流耗散加熱機(jī)制在冕環(huán)頂部附近占比更大, 其研究結(jié)果[18]有望為進(jìn)一步估算與日冕加熱相關(guān)的定標(biāo)定律和驗(yàn)證日冕磁場(chǎng)的理論模型提供觀測(cè)證據(jù). 利用日冕綠線(xiàn)觀測(cè)和其他波長(zhǎng)數(shù)據(jù), 可以推導(dǎo)出等離子體密度、溫度、速度、磁場(chǎng)等參數(shù), 并將其用于日冕研究[7–8,19].近年來(lái),通過(guò)FeXII1075 nm等一些近紅外日冕禁發(fā)射線(xiàn)直接進(jìn)行日冕磁場(chǎng)測(cè)量也已經(jīng)成為可能[20–21]. 此外在長(zhǎng)周期研究中日冕綠線(xiàn)強(qiáng)度隨時(shí)間和緯度的分布存在一些周期性變化[22], 日冕綠線(xiàn)亮度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)隨緯度的變化也呈現(xiàn)出明顯的周期性[23–24]. 對(duì)于日冕綠線(xiàn), 它除了能揭示長(zhǎng)期日冕周期及其與其他太陽(yáng)活動(dòng)的關(guān)系外,利用其對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的高分辨率觀測(cè)也有助于理解日冕加熱和太陽(yáng)風(fēng)加速等問(wèn)題[25], 包括探測(cè)太陽(yáng)邊緣日冕波動(dòng)和日冕物質(zhì)拋射[26].

日冕輻射強(qiáng)度相對(duì)于光球輻射非常弱, 并隨高度急劇下降. 在日面邊緣相同高度處, 局部日冕綠線(xiàn)的亮度在太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)域周?chē)鷷?huì)顯著增強(qiáng), 并在黑子附近達(dá)到最大值[27]. 我們?cè)谝恍┗顒?dòng)區(qū)附近通?？梢钥吹叫螒B(tài)復(fù)雜的日冕亮結(jié)構(gòu), 這也反映了活動(dòng)區(qū)上方的日冕磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性.

自L(fǎng)ASCO-C1儀器因低溫失效后不再開(kāi)展空間日冕綠線(xiàn)觀測(cè), 因此日冕綠線(xiàn)的數(shù)據(jù)主要來(lái)自地面日冕儀[28]. Zhang等人基于麗江日冕綠線(xiàn)和SDO (Solar Dynamics Observatory)/AIA (Atmospheric Imaging Assembly)多波段的日冕數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 研究結(jié)果首次發(fā)現(xiàn)5303 ?A和211 ?A相比SDO/AIA的其他波段具有更高的相關(guān)性[29]. 對(duì)于精確跟蹤5303 ?A觀測(cè)到的發(fā)生在日面邊緣上方的明亮日冕環(huán)或者其他日冕結(jié)構(gòu), 結(jié)合211 ?A的觀測(cè)可能將日冕中不同高度的物理過(guò)程聯(lián)系起來(lái)開(kāi)展分析研究. 同時(shí), 地面日冕儀觀測(cè)因受到晝夜交替、局地天氣條件等因素的影響, 容易造成觀測(cè)數(shù)據(jù)的不連續(xù)性和分析結(jié)果的誤差, 而AIA 211 ?A的觀測(cè)以及其他EUV波段的空間連續(xù)資料, 或許有助于填補(bǔ)地基日冕綠線(xiàn)數(shù)據(jù)“缺失”的觀測(cè)空白.

因此, 保持長(zhǎng)期的綠線(xiàn)觀測(cè)是非常重要的. 通過(guò)國(guó)際上多個(gè)地面日冕觀測(cè)站的長(zhǎng)期通力合作, 目前已獲得連續(xù)數(shù)個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期的標(biāo)準(zhǔn)日冕綠線(xiàn)資料. 這些寶貴資料被用來(lái)分析研究日冕的長(zhǎng)周期活動(dòng)規(guī)律[30–32], 彌補(bǔ)了后期空間日冕儀觀測(cè)資料經(jīng)常間斷的不足. 當(dāng)前, 日冕綠線(xiàn)的地面觀測(cè)站點(diǎn)主要有: 斯洛伐克的盧穆尼克峰[33]、俄羅斯的基斯洛沃茨克[34]和中國(guó)麗江[26]. 中國(guó)麗江日冕儀觀測(cè)站于2013年與日本國(guó)立天文臺(tái)乘鞍(Norikura)站合作建成運(yùn)行至今[18]. 雖然綠線(xiàn)FeXIV5303 ?A長(zhǎng)期用來(lái)作為日冕監(jiān)測(cè)的工具, 但對(duì)綠線(xiàn)觀測(cè)的信息還遠(yuǎn)未被完全挖掘. 在本文中, 我們通過(guò)麗江10 cm日冕儀的綠線(xiàn)觀測(cè)資料, 篩選出了一些2020年以來(lái)的觀測(cè)資料, 對(duì)日冕綠線(xiàn)強(qiáng)度的衰減進(jìn)行擬合分析. 在第2節(jié)中, 我們介紹了綠線(xiàn)觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理方法. 在第3節(jié)中, 我們對(duì)處理后的日冕亮結(jié)構(gòu)及冕環(huán)進(jìn)行擬合. 在第4節(jié)中, 給出了結(jié)果和討論. 最后, 第5節(jié)是結(jié)論部分.

2 日冕綠線(xiàn)觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理

2013年, 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、云南天文臺(tái)與日本國(guó)立天文臺(tái)合作, 將乘鞍站10 cm口徑Lyot日冕儀進(jìn)行升級(jí)改造后運(yùn)送安裝在麗江高美古觀測(cè)站. 麗江高美古為低緯度高海拔地區(qū), 天空散射光低, 大氣觀測(cè)條件良好[35–36]. 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示, 當(dāng)天空晴朗時(shí), 麗江站整層大氣光學(xué)波段的平均天空背景亮度低于20 ppm, 適合于日冕儀觀測(cè)條件.

目前, 10 cm Lyot日冕儀在麗江已經(jīng)良好運(yùn)行觀測(cè)近10 yr, Lyot日冕儀重100 kg, 總長(zhǎng)度近3 m,在5303 ?A的主鏡焦距為1490 mm, 其配備赤道跟蹤裝置和高精度窄帶里奧濾光器(以5303 ?A為中心的1 ?A半峰帶寬)和CCD相機(jī)(Charge Coupled Device,1024×1024像素), 其突出優(yōu)點(diǎn)是能夠觀測(cè)日冕低至0.03R⊙高度處的結(jié)構(gòu)[37]. 終端成像系統(tǒng)YOGIS(Yunnan Observatories Green-line Imaging System)為日冕數(shù)據(jù)提供了64′× 64′視場(chǎng)(x、y方向約2R⊙), 適用于按時(shí)間序列觀測(cè)日冕內(nèi)部結(jié)構(gòu), 通過(guò)CCD相機(jī)來(lái)記錄日冕圖像, 該系統(tǒng)可以獲得單峰、雙峰、±0.45 ?A模式的圖像, 然后重復(fù)8次以提高信噪比[38]. 麗江日冕儀YOGIS系統(tǒng)工作在日冕綠線(xiàn)觀測(cè)低層日冕大氣的形態(tài)和多普勒速度場(chǎng), 時(shí)間分辨率能夠達(dá)到1 s量級(jí). 麗江日冕儀不僅是目前國(guó)內(nèi)唯一能夠?qū)Φ蛯尤彰峋G線(xiàn)進(jìn)行高精度成像和多普勒速度場(chǎng)采集的日冕儀, 并且它迄今保持著世界上最長(zhǎng)的日冕綠線(xiàn)觀測(cè)記錄[39].

首先我們對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理, 去除了天空背景連續(xù)譜散射光, 并用相應(yīng)的暗場(chǎng)和平場(chǎng)進(jìn)行了校正. 圖1是2021年10月30日拍攝的日冕綠線(xiàn)完整圖像, 日冕距太陽(yáng)邊緣最小高度0.03R⊙, 圖像分辨率為2.67′′/pixel, 在x軸方向?yàn)?.5R⊙, 在y軸方向?yàn)?.3R⊙. 在圖1左圖中我們可以比較明顯地看出圖中白色方框中圈出的區(qū)域存在復(fù)雜的亮結(jié)構(gòu), 結(jié)合SDO觀測(cè)其對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)為AR12886, 磁場(chǎng)單極占主導(dǎo), 磁場(chǎng)位型為α/α(磁場(chǎng)位型單極占主導(dǎo)通常伴隨著相反極性譜斑的是α型). 因?yàn)槲覀兊哪康氖菍?duì)日冕綠線(xiàn)強(qiáng)度衰減進(jìn)行分析, 所以我們主要選取了日冕中比較明顯的部分, 也就是圖像中白色方框圈出綠線(xiàn)強(qiáng)度較強(qiáng)位置處的亮結(jié)構(gòu). 我們截取了白色方框中的部分如右圖所示, 可以看出其中存在冕環(huán)結(jié)構(gòu).

圖1 左圖為麗江日冕儀2021年10月30日10:27:15拍攝的太陽(yáng)日冕綠線(xiàn)完整圖像, 在x軸方向?yàn)?.5R⊙, 在y軸方向?yàn)?.3R⊙, 紅色S/N表示太陽(yáng)南北極方向, 白色方框是我們所感興趣的日冕亮結(jié)構(gòu), 右圖為左圖方框內(nèi)的亮結(jié)構(gòu)放大圖.Fig.1 The left picture shows the complete image of the green line of the solar corona taken by the Lijiang coronagraph at 10:27:15 on October 30, 2021, which is at 1.5R⊙in the x-axis direction and 1.3R⊙in the y-axis direction. The red S/N indicates the sun’s north and south poles, the white box is the coronal bright structure we are interested in, and the right picture is the enlarged image of the bright structure in the left picture.

隨后我們對(duì)圖1中完整日冕圖像采用圓霍夫變換確定了其掩體的中心坐標(biāo)和半徑, 使用確定的掩體中心坐標(biāo)來(lái)對(duì)圖像沿掩體邊緣左側(cè)按逆時(shí)針?lè)较?60?進(jìn)行極坐標(biāo)展開(kāi), 展開(kāi)的徑向高度為1.25R⊙, 如圖2所示,x軸為位置角(0?–360?),y軸為距掩體的像素高度. 我們?cè)趫D2中對(duì)每個(gè)位置角的徑向強(qiáng)度進(jìn)行了提取, 按照其強(qiáng)度確定了對(duì)應(yīng)亮結(jié)構(gòu)的范圍, 在圖中為兩條白線(xiàn)中間的范圍177?–188?. 我們篩選了一些2020年以來(lái)其他日期的觀測(cè)質(zhì)量較好、亮結(jié)構(gòu)較清晰的觀測(cè)資料, 用上述同樣的方法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 得到了全部日期的日冕綠線(xiàn)亮結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的強(qiáng)度值.

圖2 圖1左圖完整日冕綠線(xiàn)圖像沿掩體邊緣左側(cè)在1.25R⊙范圍內(nèi)極坐標(biāo)展開(kāi), 兩條白線(xiàn)之間是我們所確定的亮結(jié)構(gòu)范圍177?–188?.Fig.2 The left image of the coronal green line of Figure 1 is expanded in polar coordinates in the range of 1.25R⊙a(bǔ)long the left side of the cover edge. Between the two white lines is the range of the bright structure we determined from 177?to 188?.

如圖3所示, 我們還在2021年11月3日和2021年10月30日的日冕綠線(xiàn)觀測(cè)資料中找到了比較清晰的冕環(huán). 我們手動(dòng)將冕環(huán)輪廓圈定出來(lái), 通過(guò)區(qū)域生長(zhǎng)法確定出冕環(huán)結(jié)構(gòu), 并將確定的冕環(huán)全部位置坐標(biāo)信息提取出來(lái), 我們用紅色虛線(xiàn)在圖中標(biāo)出了冕環(huán)的結(jié)構(gòu). 然后與之前一樣, 按照?qǐng)A霍夫變換對(duì)全日面圖像識(shí)別出掩體中心坐標(biāo)和掩體半徑, 在掩體半徑1.01倍處, 以掩體半徑的0.005倍為步長(zhǎng)向外取同心圓, 每個(gè)同心圓的寬度我們?cè)O(shè)置為2 pixel(每個(gè)半徑±1 pixel), 在圖中我們用黃色實(shí)線(xiàn)標(biāo)記了不同高度同心圓的部分圓弧, 白色實(shí)線(xiàn)標(biāo)定了環(huán)頂附近的位置. 通過(guò)取不同高度的同心圓與冕環(huán)相交部分,我們就可以得到每個(gè)高度上的冕環(huán)強(qiáng)度值.

圖3 2021年11月3日和2021年10月30日日冕綠線(xiàn)局部觀測(cè)資料, 紅色虛線(xiàn)圈定了冕環(huán)的范圍, 黃色實(shí)線(xiàn)為不同高度的圓弧, 白色實(shí)線(xiàn)標(biāo)定了環(huán)頂附近的位置.Fig.3 Local observation data of the coronal green line on November 3, 2021 and October 30, 2021. The red dashed line delineates the scope of the coronal loop, the yellow solid line is the arc of different heights, and the white solid line demarcates the position of the top of the loop.

3 日冕亮結(jié)構(gòu)及冕環(huán)的強(qiáng)度擬合

首先我們對(duì)圖2中在亮結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)(位置角177?–188?)的每個(gè)y軸像素點(diǎn)高度的強(qiáng)度取平均值,將它作為亮結(jié)構(gòu)在特定高度上的強(qiáng)度值, 這樣我們得到了每個(gè)像素點(diǎn)高度上的日冕綠線(xiàn)亮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度值. 然后我們選出了2020年以來(lái)質(zhì)量較好的部分綠線(xiàn)資料如表1所示, 表中顯示了日冕綠線(xiàn)資料的觀測(cè)日期、時(shí)間(世界時(shí)UT)、位置角范圍、活動(dòng)區(qū)及磁場(chǎng)位型. 其中具有相反極性的一對(duì)雙極黑子是β型, 具有不規(guī)則極性的復(fù)雜黑子群是γ型, 雙極黑子群稱(chēng)為βγ型. 使用與上述同樣方法對(duì)這些資料進(jìn)行處理, 得到了每個(gè)日期的亮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度. 對(duì)于圖3中的冕環(huán), 我們先得到不同高度的同心圓與冕環(huán)相交部分的強(qiáng)度值, 然后對(duì)每個(gè)高度上的強(qiáng)度值取平均作為冕環(huán)在特定高度上的強(qiáng)度.

表1 選擇日冕綠線(xiàn)資料的觀測(cè)日期、時(shí)間、位置角范圍、活動(dòng)區(qū)及磁場(chǎng)位型Table 1 The observation date, time, range of position angle, active area and magnetic field configuration of the selected coronal green line data

通過(guò)分析掩體邊緣1.03R⊙到1.25R⊙范圍內(nèi)的日冕綠線(xiàn)強(qiáng)度值發(fā)現(xiàn), 強(qiáng)度有時(shí)會(huì)呈現(xiàn)先增強(qiáng)后下降的趨勢(shì). 這是因?yàn)檠隗w邊緣衍射造成臨近日面邊緣處的雜散光強(qiáng)度顯著增加, 因此我們均從強(qiáng)度最大值高度開(kāi)始取值. 我們通過(guò)上述方法得到不同結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分布, 使用指數(shù)函數(shù)F(h) =aebh+c來(lái)對(duì)日冕綠線(xiàn)亮結(jié)構(gòu)和冕環(huán)強(qiáng)度在太陽(yáng)徑向高度上進(jìn)行擬合, 式中h為距太陽(yáng)邊緣高度(單位: 角秒),a、b、c為我們的待定參數(shù),這里我們重點(diǎn)關(guān)注指數(shù)b的值. 為了確定衰減指數(shù)我們這里采用指數(shù)函數(shù)形式擬合, 其形式也借鑒于日冕指數(shù)的形式[6], 日冕指數(shù)(CI)是對(duì)日冕綠線(xiàn)的地面觀測(cè)得出的, 用于標(biāo)定太陽(yáng)在日冕綠線(xiàn)5303 ?A波段的輻照度. 日冕指數(shù)兼顧了內(nèi)日冕(小于1.25R⊙)高指數(shù)衰減和較高日冕低指數(shù)衰減的不同分布特征. 本文中, 我們僅對(duì)麗江數(shù)據(jù)的內(nèi)日冕構(gòu)建衰減指數(shù)模型, 期待由單一衰減指數(shù)值就能夠大致確定強(qiáng)度的衰減規(guī)律, 所以我們針對(duì)麗江地面日冕儀對(duì)內(nèi)日冕的觀測(cè)資料采用單指數(shù)函數(shù)形式進(jìn)行擬合.

4 擬合結(jié)果與討論

通過(guò)指數(shù)函數(shù)形式F(h) =a×eb×h+c, 對(duì)日冕綠線(xiàn)亮結(jié)構(gòu)和冕環(huán)強(qiáng)度在太陽(yáng)徑向高度上的擬合, 我們得到的結(jié)果如圖4、圖5所示. 圖4為圖3中日冕綠線(xiàn)圖像冕環(huán)強(qiáng)度沿掩體邊緣徑向方向的擬合結(jié)果, 圖5為通過(guò)極坐標(biāo)展開(kāi)方法對(duì)亮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行指數(shù)擬合的結(jié)果. 我們對(duì)每個(gè)高度上的強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)差作為誤差, 在擬合過(guò)程圖4、圖5中以誤差棒的形式標(biāo)注出. 根據(jù)卡方檢驗(yàn)(Chi-square test), 確定自由度和顯著性水平參數(shù)P= 0.05, 來(lái)對(duì)我們的擬合結(jié)果進(jìn)行擬合優(yōu)度的檢驗(yàn).

圖4 圖3中兩個(gè)日冕綠線(xiàn)圖像冕環(huán)強(qiáng)度沿掩體邊緣徑向方向的擬合結(jié)果, 綠色的曲線(xiàn)為指數(shù)函數(shù)的擬合, 用loop fit表示, 擬合指數(shù)b和χ2在圖例中標(biāo)出.Fig.4 The best fit results of the coronal ring intensity along the radial direction of the cover edge of the two coronal green line images in Figure 3. The green curve is the fitting of the exponential function, represented by loop fit, and the fitting index b and χ2 are marked in the legend.

圖5 對(duì)選出的資料通過(guò)極坐標(biāo)展開(kāi)方法對(duì)亮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行指數(shù)擬合的結(jié)果, 指數(shù)擬合為藍(lán)色的曲線(xiàn)用fit表示, 擬合指數(shù)b和χ2在圖例中標(biāo)出.Fig.5 Results of exponential fitting of the intensity of bright structure by means of polar coordinate expansion for selected data. The blue curve of exponential fitting is represented by fit, and the fitting b and χ2 are marked in the legend.

在圖4中綠色的曲線(xiàn)為上述圖3中兩冕環(huán)強(qiáng)度通過(guò)指數(shù)函數(shù)擬合的曲線(xiàn), 用loop fit表示, 這兩天比較清晰的冕環(huán), 其環(huán)頂高度位置分別為1.11R⊙和1.13R⊙, 我們得到了擬合指數(shù)b, 結(jié)果分別為:-0.0153、-0.0156, 得到的兩個(gè)指數(shù)值差別很小.χ2值分別為0.59、0.65,相應(yīng)在卡方檢驗(yàn)中P值均在0.995以上.我們?nèi)?biāo)準(zhǔn)差作為誤差,擬合的指數(shù)b誤差分別為23%、9%.

在圖5中對(duì)表1內(nèi)所有日期資料的擬合用fit表示, 由誤差棒的分布可以看出, 在亮結(jié)構(gòu)較低高度處的誤差較大, 隨高度上升誤差逐漸減小, 而圖4中提取冕環(huán)強(qiáng)度的誤差值較為均勻. 我們得到的b值分別為:-0.0153、-0.0148、-0.0154、-0.0149、-0.0148、-0.0145、-0.0282、-0.0154、-0.0146、-0.0153、-0.015、-0.015. 擬合得到的b值均在-0.015附近(圖中藍(lán)色曲線(xiàn)所示), 除去-0.0282的值(在圖5的圖(7)中用紅色曲線(xiàn)標(biāo)出), 其他值偏差均在-0.001以?xún)?nèi), 最大偏差6.7%. 我們對(duì)擬合的日冕資料進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn), 日冕亮結(jié)構(gòu)分布比較均勻,有些能夠看出亮結(jié)構(gòu)整體被環(huán)狀結(jié)構(gòu)包圍的輪廓.而擬合結(jié)果為-0.0282的資料中整體亮結(jié)構(gòu)范圍較小, 距離太陽(yáng)邊緣較近, 且類(lèi)似于小的冕環(huán)結(jié)構(gòu)位于亮結(jié)構(gòu)整體的邊緣, 并未能與底部發(fā)亮部分構(gòu)成亮結(jié)構(gòu)整體, 相對(duì)掩體邊緣較亮的部分衰減明顯更慢. 另一方面, 我們對(duì)這一時(shí)刻前后連續(xù)時(shí)間的觀測(cè)資料對(duì)比發(fā)現(xiàn)亮結(jié)構(gòu)整體形態(tài)變化較大, 其實(shí)際并非處于靜態(tài), 而是處于亮結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)消散過(guò)程中. 所以對(duì)其整體積分來(lái)擬合的結(jié)果與其他值偏差較大, 本文亦就不考慮它為典型的靜態(tài)穩(wěn)定的綠線(xiàn)冕環(huán)樣本. 對(duì)排除后的擬合結(jié)果進(jìn)行卡方檢驗(yàn)χ2值分別為0.78、2.64、0.38、0.12、0.79、0.09、0.59、0.37、1.21、1.30、2.87. 相應(yīng)在卡方檢驗(yàn)中P值均在0.995以上.取標(biāo)準(zhǔn)差作為誤差,擬合的指數(shù)b誤差范圍在1%–6.4%, 相比于圖4中擬合指數(shù)誤差較小,考慮到由于冕環(huán)較低, 對(duì)冕環(huán)強(qiáng)度的選取數(shù)據(jù)點(diǎn)較少, 可能會(huì)導(dǎo)致擬合產(chǎn)生的誤差較大.

為了對(duì)比冕環(huán)與亮結(jié)構(gòu)這兩種擬合結(jié)果的區(qū)別, 我們將上述兩個(gè)冕環(huán)及其所對(duì)應(yīng)亮結(jié)構(gòu)的擬合放在了一起, 如圖6所示. 在圖6中, 綠色曲線(xiàn)為對(duì)冕環(huán)的擬合, 藍(lán)色曲線(xiàn)為對(duì)冕環(huán)所對(duì)應(yīng)亮結(jié)構(gòu)部分的擬合. 由于對(duì)亮結(jié)構(gòu)的擬合在靠近太陽(yáng)邊緣距離較近處, 掩體邊緣雜散光的影響較大, 使強(qiáng)度存在增強(qiáng)的趨勢(shì). 我們根據(jù)圖像考慮是由于冕環(huán)兩足點(diǎn)處的中間位置強(qiáng)度過(guò)大導(dǎo)致,亮結(jié)構(gòu)會(huì)存在這種現(xiàn)象,但對(duì)冕環(huán)結(jié)構(gòu)并不存在明顯的影響. 所以我們?nèi)コ肆两Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度上升的點(diǎn), 亮結(jié)構(gòu)比冕環(huán)的初始位置更高一些.

圖6 對(duì)兩個(gè)日冕綠線(xiàn)冕環(huán)資料擬合及其對(duì)應(yīng)的亮結(jié)構(gòu)擬合, 綠色曲線(xiàn)為對(duì)冕環(huán)的擬合, 藍(lán)色曲線(xiàn)為對(duì)冕環(huán)所對(duì)應(yīng)亮結(jié)構(gòu)部分的擬合.Fig.6 The fitting of coronal rings with two coronal green lines and their corresponding bright structures. The green curve is the fitting of coronal rings, and the blue curve is the fitting of the corresponding bright structures of coronal loop.

在同一太陽(yáng)高度上, 我們發(fā)現(xiàn)亮結(jié)構(gòu)的數(shù)值強(qiáng)度均比冕環(huán)的強(qiáng)度更大, 我們分析也是由于大部分亮結(jié)構(gòu)冕環(huán)兩足點(diǎn)的中間位置強(qiáng)度對(duì)亮結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)較大, 所以在同一高度積分后的亮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯大于所對(duì)應(yīng)的冕環(huán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.我們的擬合結(jié)果分別為:-0.0153和-0.0145、-0.0156和-0.0154, 冕環(huán)的衰減指數(shù)b的值均小于所對(duì)應(yīng)的亮結(jié)構(gòu)的指數(shù)b值. 同理在我們提到的冕環(huán)在亮結(jié)構(gòu)的邊緣位置, 亮結(jié)構(gòu)的主要強(qiáng)度來(lái)自冕環(huán)包圍的底部, 所以冕環(huán)相比于整個(gè)亮結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)衰減更快, 自然得到的指數(shù)b的值更小. 雖然我們對(duì)兩個(gè)日冕綠線(xiàn)冕環(huán)擬合得到的指數(shù)值差別不大, 但由于考慮到兩個(gè)日冕資料日期較為相近,所以可能并不能代表冕環(huán)的具體衰減情況.但通過(guò)確定出冕環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)擬合出衰減指數(shù)與通過(guò)圖像極坐標(biāo)展開(kāi)縱向切片擬合得出的指數(shù)的整體差別不大, 均在-0.015左右. 對(duì)于亮結(jié)構(gòu)中其他不清晰的冕環(huán)我們?cè)囍プR(shí)別并圈定冕環(huán)或是太陽(yáng)邊緣發(fā)散的環(huán)狀結(jié)構(gòu), 但是擬合出的指數(shù)較小, 與文中擬合出-0.015的值相差近一個(gè)數(shù)量級(jí). 我們考慮是由于不清晰的冕環(huán)自身強(qiáng)度較低, 距離太陽(yáng)表面距離較近, 與很多其他的亮結(jié)構(gòu)混在一起, 加上背景場(chǎng)的影響再合并積分效應(yīng), 可能會(huì)對(duì)其強(qiáng)度影響較大.

在本文中, 我們利用麗江10 cm日冕儀觀測(cè)資料, 分析了日冕綠線(xiàn)FeXIV(5303 ?A)強(qiáng)度的衰減, 通過(guò)圖像極坐標(biāo)展開(kāi)及選取冕環(huán)來(lái)對(duì)日冕結(jié)構(gòu)內(nèi)不同強(qiáng)度的部分進(jìn)行指數(shù)衰減擬合, 比較了兩種不同方法提取的強(qiáng)度分布. 結(jié)果表明, 不同日冕結(jié)構(gòu)隨高度衰減擬合所得到的指數(shù)結(jié)果均在一固定值附近, 且通過(guò)卡方檢驗(yàn)證明我們的擬合優(yōu)度在較高水平. 我們將本文得到的結(jié)果與1973年Ruˇsin的擬合[40]比較分析, Ruˇsin的文中說(shuō)明日冕亮度按高度衰減可以用多個(gè)(假定數(shù)目是n)衰減指數(shù)形式之和來(lái)表達(dá), 而n= 2就可以反映不同時(shí)間段、不同方位角日冕結(jié)構(gòu)的衰減情況. 而針對(duì)不同情況都有不同的系數(shù)和衰減指數(shù). 我們的結(jié)果也符合Ruˇsin的指數(shù)函數(shù)表示, 轉(zhuǎn)換單位后的指數(shù)值在-0.9附近,符合Ruˇsin文中擬合指數(shù)值的范圍, 并且針對(duì)麗江日冕儀綠線(xiàn)數(shù)據(jù)觀測(cè)情況我們可以?xún)H用一個(gè)衰減函數(shù)來(lái)表示.

此外我們選取的冕環(huán)環(huán)頂位置在1.1R⊙附近,擬合結(jié)果表明亮結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度在相同范圍內(nèi)隨高度的變化呈現(xiàn)相同的趨勢(shì). 在更高的范圍, 亮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度衰減更偏向線(xiàn)性衰減, 低日冕以閉合磁場(chǎng)為主導(dǎo), 高日冕以開(kāi)放磁場(chǎng)為主導(dǎo), 可見(jiàn)活動(dòng)區(qū)與寧?kù)o區(qū)日冕加熱機(jī)制不同, 在冕環(huán)中閉環(huán)加熱時(shí),直流(電流耗散)和交流(阿爾芬和電磁波耗散)機(jī)制同時(shí)作用于整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)[18]. 1997年Wang等人利用空間太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡SOHO LASCO/C1日冕儀綠線(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)[17], 冕環(huán)足點(diǎn)(1.15R⊙)附近等離子體密度與磁場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān), 所計(jì)算出的日冕形態(tài)結(jié)構(gòu)與觀測(cè)非常相似. 我們利用麗江綠線(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在1.1R⊙附近處, 低冕環(huán)環(huán)頂處的亮度與日冕外推磁場(chǎng)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)相關(guān)性最好, 并且發(fā)現(xiàn)在這一高度范圍不同日冕結(jié)構(gòu)的亮度與外推磁場(chǎng)強(qiáng)度均能較好吻合, 麗江地面日冕儀的優(yōu)勢(shì)是可以對(duì)更靠近太陽(yáng)邊緣的日冕結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究. 綜上所述, 我們認(rèn)為通過(guò)指數(shù)函數(shù)擬合的指數(shù)b在-0.015±0.001范圍內(nèi)比較符合本文大部分日冕綠線(xiàn)強(qiáng)度資料的.最后,日冕綠線(xiàn)的地面觀測(cè)通常受到晝夜交替、當(dāng)?shù)靥鞖鈼l件等復(fù)雜因素的限制, 容易導(dǎo)致觀測(cè)的不連續(xù)和數(shù)據(jù)分析不精確,并且由于麗江日冕儀的孔徑小,所以本文得出的一些結(jié)論可能并不完備, 未來(lái)需要更高分辨率的日冕觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)和改進(jìn).

5 結(jié)論

日冕作為太陽(yáng)大氣的最外層, 是太陽(yáng)大氣活動(dòng)的關(guān)鍵區(qū)域, 也是地球物理和空間現(xiàn)象的重要輻射源. 日冕研究在科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有特殊的重要性以及諸多尚未解決的問(wèn)題, 特別是由于觀測(cè)限制, 人們對(duì)日冕低層大氣等離子體結(jié)構(gòu)和磁場(chǎng)狀態(tài)的研究非常欠缺, 國(guó)際上對(duì)于可見(jiàn)光波段日冕低層大氣亮度的研究很少. 在本文中, 我們利用麗江日冕儀YOGIS的日冕綠線(xiàn)(FeXIV5303 ?A)觀測(cè)資料, 對(duì)內(nèi)日冕區(qū)域(1.03R⊙–1.25R⊙)亮結(jié)構(gòu)及其中靜態(tài)內(nèi)冕環(huán)首次進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的強(qiáng)度衰減分析,我們通過(guò)對(duì)太陽(yáng)盤(pán)極坐標(biāo)展開(kāi)確定亮結(jié)構(gòu)范圍和圈定冕環(huán)的方式來(lái)提取出不同高度日冕綠線(xiàn)強(qiáng)度.對(duì)亮結(jié)構(gòu)及其冕環(huán)的強(qiáng)度在太陽(yáng)徑向高度上進(jìn)行了指數(shù)衰減擬合, 通過(guò)比較這些擬合結(jié)果發(fā)現(xiàn)所得到的衰減指數(shù)均在一固定值(-0.015)附近, 與歷史上Ruˇsin[40]基于光譜掃描測(cè)光的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)擬合結(jié)果吻合. 我們擬合的冕環(huán)高度在1.1R⊙與其對(duì)應(yīng)亮結(jié)構(gòu)擬合結(jié)果相近, 最近的冕綠線(xiàn)研究中, 借助日冕綠線(xiàn)的高亮度和綠線(xiàn)對(duì)光球?qū)哟艌?chǎng)的高靈敏度, Zhang等[18]發(fā)現(xiàn)冕環(huán)頂部的高度1.1R⊙處亮度與磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)性最高, 證實(shí)了日冕綠線(xiàn)亮度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的密切關(guān)系. 日冕磁場(chǎng)在太陽(yáng)活動(dòng)中起著重要作用, 基于日冕綠線(xiàn)的測(cè)量, 進(jìn)一步深入探討日冕綠線(xiàn)與磁場(chǎng)強(qiáng)度的相關(guān)性, 能為日冕磁場(chǎng)測(cè)量尋找觀測(cè)證據(jù). 日冕綠線(xiàn)5303 ?A與EUV波段中211 ?A強(qiáng)度相關(guān)性最高[18],且日冕形態(tài)相似,未來(lái)也可以利用不同波段對(duì)日冕深入研究, 有望精確跟蹤在5303 ?A觀測(cè)到的出現(xiàn)在日面邊緣的日冕結(jié)構(gòu),為研究日冕在不同高度上發(fā)生的物理過(guò)程進(jìn)行多波段聯(lián)合分析. 接下來(lái)我們還將針對(duì)不同太陽(yáng)活動(dòng)周和日冕緯度分布來(lái)繼續(xù)深入開(kāi)展本項(xiàng)研究.