李子涵 劉煜,3 張雪飛 梁紅飛 沙飛揚 于晉 敦金平

(1 云南師范大學物理與電子信息學院 昆明 650500)

(2 中國科學院云南天文臺 昆明 650011)

(3 西南交通大學物理科學與技術學院 成都 611756)

(4 中國華云氣象科技集團有限公司 北京 100081)

(5 中國氣象局空間天氣重點開放實驗室/國家衛(wèi)星氣象中心(國家空間天氣監(jiān)測預警中心);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, 溫度能夠達到百萬度, 是大規(guī)模太陽活動和災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程. 早在2000多年前,中國古代已經(jīng)有了日食的觀測記錄, 1851年首次在日食時成功進行了日冕照相[1].

法國科學家里奧(Bernard.Lyot)于1931年發(fā)明了日冕儀, 并首次成功地在無日食條件下觀測到了日冕[2]. 日冕儀能夠直接探測到日冕信號的一個前提是, 觀測地點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左右的高山上進行日冕儀的觀測, 當天氣晴朗時, 太陽附近的天空亮度可低達日面亮度的10-5量級, 可通過日冕儀觀測到內(nèi)冕[1].

日冕綠線(5303 ?A)最早是在日食期間觀測中發(fā)現(xiàn)的[3], 里奧發(fā)明日冕儀之后該線被廣泛用于日冕的常規(guī)觀測. 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, 是日冕中最強的可見光波段發(fā)射線, 也是日全食期間被人們廣泛使用的一條譜線. 正是通過長期積累的地面5303 ?A觀測資料, 國際上為研究日冕長周期活動專門定義了日冕指數(shù)這一重要指標(Coronal Index, CI)[5–6].

磁場是控制太陽活動的重要物理量, 太陽耀斑、日冕波等日冕活動都與磁場有關[7–9]. 太陽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射線波段觀察到了太陽大氣中充滿了明亮的環(huán)狀結(jié)構(gòu)[10–11]. 由于這些環(huán)比周圍的等離子體要亮得多, 這意味著其內(nèi)部壓力和密度的相對增強. 日冕中的環(huán)狀結(jié)構(gòu)也被稱為冕環(huán), 廣泛分布在太陽寧靜區(qū)和活動區(qū)中[12], 形態(tài)與磁結(jié)構(gòu)類似[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,比如日冕紅線和綠線, 可以顯示不同的日冕磁場的局部結(jié)構(gòu)[16]. 對于日冕綠線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日冕儀觀測資料研究發(fā)現(xiàn)大尺度日冕溫度、強度分布與底層光球(冕環(huán)足點處)磁場結(jié)構(gòu)和強度密切相關[17], 表明日冕綠線和日冕磁場具有一定程度的相關性, 并且相關系數(shù)隨著日冕高度遞減(從1.5R⊙到1.15R⊙,R⊙為太陽半徑)有明顯變大的趨勢, 但受C1觀測視場影響, 最小高度限制在1.1R⊙. 借助麗江地面日冕儀觀測的優(yōu)勢(其日冕觀測的最低高度可達1.03R⊙),Zhang等人在最近的統(tǒng)計研究中也發(fā)現(xiàn)在1.1R⊙以上范圍內(nèi), 不同緯度冕環(huán)強度與磁場的相關系數(shù)較高[18], 并首次明確指出相關系數(shù)最大值應該發(fā)生在1.1R⊙高度處附近. Zhang等人[18]同時也指出在冕環(huán)頂部具有更高的相關系數(shù), 磁場對高溫日冕輻射的主導作用在閉合冕環(huán)中占比更大, 暗示了基于日冕綠線數(shù)據(jù)對未來定量研究磁場和日冕強度更具有參考. 重要的是該研究[18]表明冕環(huán)足點亮度與磁場強度弱的相關性反映了足點附近的日冕加熱機制與環(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)加熱機制或許在整個冕環(huán)系統(tǒng)中同時存在, 但電流耗散加熱機制在冕環(huán)頂部附近占比更大, 其研究結(jié)果[18]有望為進一步估算與日冕加熱相關的定標定律和驗證日冕磁場的理論模型提供觀測證據(jù). 利用日冕綠線觀測和其他波長數(shù)據(jù), 可以推導出等離子體密度、溫度、速度、磁場等參數(shù), 并將其用于日冕研究[7–8,19].近年來,通過FeXII1075 nm等一些近紅外日冕禁發(fā)射線直接進行日冕磁場測量也已經(jīng)成為可能[20–21]. 此外在長周期研究中日冕綠線強度隨時間和緯度的分布存在一些周期性變化[22], 日冕綠線亮度與磁場強度的相關系數(shù)隨緯度的變化也呈現(xiàn)出明顯的周期性[23–24]. 對于日冕綠線, 它除了能揭示長期日冕周期及其與其他太陽活動的關系外,利用其對太陽活動的高分辨率觀測也有助于理解日冕加熱和太陽風加速等問題[25], 包括探測太陽邊緣日冕波動和日冕物質(zhì)拋射[26].

日冕輻射強度相對于光球輻射非常弱, 并隨高度急劇下降. 在日面邊緣相同高度處, 局部日冕綠線的亮度在太陽活動區(qū)域周圍會顯著增強, 并在黑子附近達到最大值[27]. 我們在一些活動區(qū)附近通常可以看到形態(tài)復雜的日冕亮結(jié)構(gòu), 這也反映了活動區(qū)上方的日冕磁場結(jié)構(gòu)的復雜性.

自LASCO-C1儀器因低溫失效后不再開展空間日冕綠線觀測, 因此日冕綠線的數(shù)據(jù)主要來自地面日冕儀[28]. Zhang等人基于麗江日冕綠線和SDO (Solar Dynamics Observatory)/AIA (Atmospheric Imaging Assembly)多波段的日冕數(shù)據(jù)進行分析, 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性[29]. 對于精確跟蹤5303 ?A觀測到的發(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的觀測可能將日冕中不同高度的物理過程聯(lián)系起來開展分析研究. 同時, 地面日冕儀觀測因受到晝夜交替、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的觀測以及其他EUV波段的空間連續(xù)資料, 或許有助于填補地基日冕綠線數(shù)據(jù)“缺失”的觀測空白.

因此, 保持長期的綠線觀測是非常重要的. 通過國際上多個地面日冕觀測站的長期通力合作, 目前已獲得連續(xù)數(shù)個太陽活動周期的標準日冕綠線資料. 這些寶貴資料被用來分析研究日冕的長周期活動規(guī)律[30–32], 彌補了后期空間日冕儀觀測資料經(jīng)常間斷的不足. 當前, 日冕綠線的地面觀測站點主要有: 斯洛伐克的盧穆尼克峰[33]、俄羅斯的基斯洛沃茨克[34]和中國麗江[26]. 中國麗江日冕儀觀測站于2013年與日本國立天文臺乘鞍(Norikura)站合作建成運行至今[18]. 雖然綠線FeXIV5303 ?A長期用來作為日冕監(jiān)測的工具, 但對綠線觀測的信息還遠未被完全挖掘. 在本文中, 我們通過麗江10 cm日冕儀的綠線觀測資料, 篩選出了一些2020年以來的觀測資料, 對日冕綠線強度的衰減進行擬合分析. 在第2節(jié)中, 我們介紹了綠線觀測和數(shù)據(jù)處理方法. 在第3節(jié)中, 我們對處理后的日冕亮結(jié)構(gòu)及冕環(huán)進行擬合. 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 日冕綠線觀測和數(shù)據(jù)處理

2013年, 中國科學院國家天文臺、云南天文臺與日本國立天文臺合作, 將乘鞍站10 cm口徑Lyot日冕儀進行升級改造后運送安裝在麗江高美古觀測站. 麗江高美古為低緯度高海拔地區(qū), 天空散射光低, 大氣觀測條件良好[35–36]. 統(tǒng)計結(jié)果顯示, 當天空晴朗時, 麗江站整層大氣光學波段的平均天空背景亮度低于20 ppm, 適合于日冕儀觀測條件.

目前, 10 cm Lyot日冕儀在麗江已經(jīng)良好運行觀測近10 yr, Lyot日冕儀重100 kg, 總長度近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(Charge Coupled Device,1024×1024像素), 其突出優(yōu)點是能夠觀測日冕低至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(x、y方向約2R⊙), 適用于按時間序列觀測日冕內(nèi)部結(jié)構(gòu), 通過CCD相機來記錄日冕圖像, 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)工作在日冕綠線觀測低層日冕大氣的形態(tài)和多普勒速度場, 時間分辨率能夠達到1 s量級. 麗江日冕儀不僅是目前國內(nèi)唯一能夠?qū)Φ蛯尤彰峋G線進行高精度成像和多普勒速度場采集的日冕儀, 并且它迄今保持著世界上最長的日冕綠線觀測記錄[39].

首先我們對原始數(shù)據(jù)進行預處理, 去除了天空背景連續(xù)譜散射光, 并用相應的暗場和平場進行了校正. 圖1是2021年10月30日拍攝的日冕綠線完整圖像, 日冕距太陽邊緣最小高度0.03R⊙, 圖像分辨率為2.67′′/pixel, 在x軸方向為1.5R⊙, 在y軸方向為1.3R⊙. 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)域存在復雜的亮結(jié)構(gòu), 結(jié)合SDO觀測其對應的太陽活動區(qū)為AR12886, 磁場單極占主導, 磁場位型為α/α(磁場位型單極占主導通常伴隨著相反極性譜斑的是α型). 因為我們的目的是對日冕綠線強度衰減進行分析, 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強度較強位置處的亮結(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拍攝的太陽日冕綠線完整圖像, 在x軸方向為1.5R⊙, 在y軸方向為1.3R⊙, 紅色S/N表示太陽南北極方向, 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和半徑, 使用確定的掩體中心坐標來對圖像沿掩體邊緣左側(cè)按逆時針方向360?進行極坐標展開, 展開的徑向高度為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. 我們在圖2中對每個位置角的徑向強度進行了提取, 按照其強度確定了對應亮結(jié)構(gòu)的范圍, 在圖中為兩條白線中間的范圍177?–188?. 我們篩選了一些2020年以來其他日期的觀測質(zhì)量較好、亮結(jié)構(gòu)較清晰的觀測資料, 用上述同樣的方法對原始數(shù)據(jù)進行處理, 得到了全部日期的日冕綠線亮結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的強度值.

圖2 圖1左圖完整日冕綠線圖像沿掩體邊緣左側(cè)在1.25R⊙范圍內(nèi)極坐標展開, 兩條白線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⊙along 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日的日冕綠線觀測資料中找到了比較清晰的冕環(huán). 我們手動將冕環(huán)輪廓圈定出來, 通過區(qū)域生長法確定出冕環(huán)結(jié)構(gòu), 并將確定的冕環(huán)全部位置坐標信息提取出來, 我們用紅色虛線在圖中標出了冕環(huán)的結(jié)構(gòu). 然后與之前一樣, 按照圓霍夫變換對全日面圖像識別出掩體中心坐標和掩體半徑, 在掩體半徑1.01倍處, 以掩體半徑的0.005倍為步長向外取同心圓, 每個同心圓的寬度我們設置為2 pixel(每個半徑±1 pixel), 在圖中我們用黃色實線標記了不同高度同心圓的部分圓弧, 白色實線標定了環(huán)頂附近的位置. 通過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高度上的冕環(huán)強度值.

圖3 2021年11月3日和2021年10月30日日冕綠線局部觀測資料, 紅色虛線圈定了冕環(huán)的范圍, 黃色實線為不同高度的圓弧, 白色實線標定了環(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)的強度擬合

首先我們對圖2中在亮結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)(位置角177?–188?)的每個y軸像素點高度的強度取平均值,將它作為亮結(jié)構(gòu)在特定高度上的強度值, 這樣我們得到了每個像素點高度上的日冕綠線亮結(jié)構(gòu)強度值. 然后我們選出了2020年以來質(zhì)量較好的部分綠線資料如表1所示, 表中顯示了日冕綠線資料的觀測日期、時間(世界時UT)、位置角范圍、活動區(qū)及磁場位型. 其中具有相反極性的一對雙極黑子是β型, 具有不規(guī)則極性的復雜黑子群是γ型, 雙極黑子群稱為βγ型. 使用與上述同樣方法對這些資料進行處理, 得到了每個日期的亮結(jié)構(gòu)的強度. 對于圖3中的冕環(huán), 我們先得到不同高度的同心圓與冕環(huán)相交部分的強度值, 然后對每個高度上的強度值取平均作為冕環(huán)在特定高度上的強度.

表1 選擇日冕綠線資料的觀測日期、時間、位置角范圍、活動區(qū)及磁場位型Table 1 The observation date, time, range of position angle, active area and magnetic field configuration of the selected coronal green line data

通過分析掩體邊緣1.03R⊙到1.25R⊙范圍內(nèi)的日冕綠線強度值發(fā)現(xiàn), 強度有時會呈現(xiàn)先增強后下降的趨勢. 這是因為掩體邊緣衍射造成臨近日面邊緣處的雜散光強度顯著增加, 因此我們均從強度最大值高度開始取值. 我們通過上述方法得到不同結(jié)構(gòu)的強度分布, 使用指數(shù)函數(shù)F(h) =aebh+c來對日冕綠線亮結(jié)構(gòu)和冕環(huán)強度在太陽徑向高度上進行擬合, 式中h為距太陽邊緣高度(單位: 角秒),a、b、c為我們的待定參數(shù),這里我們重點關注指數(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)是對日冕綠線的地面觀測得出的, 用于標定太陽在日冕綠線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度的衰減規(guī)律, 所以我們針對麗江地面日冕儀對內(nèi)日冕的觀測資料采用單指數(shù)函數(shù)形式進行擬合.

4 擬合結(jié)果與討論

通過指數(shù)函數(shù)形式F(h) =a×eb×h+c, 對日冕綠線亮結(jié)構(gòu)和冕環(huán)強度在太陽徑向高度上的擬合, 我們得到的結(jié)果如圖4、圖5所示. 圖4為圖3中日冕綠線圖像冕環(huán)強度沿掩體邊緣徑向方向的擬合結(jié)果, 圖5為通過極坐標展開方法對亮結(jié)構(gòu)強度進行指數(shù)擬合的結(jié)果. 我們對每個高度上的強度取標準差作為誤差, 在擬合過程圖4、圖5中以誤差棒的形式標注出. 根據(jù)卡方檢驗(Chi-square test), 確定自由度和顯著性水平參數(shù)P= 0.05, 來對我們的擬合結(jié)果進行擬合優(yōu)度的檢驗.

圖4 圖3中兩個日冕綠線圖像冕環(huán)強度沿掩體邊緣徑向方向的擬合結(jié)果, 綠色的曲線為指數(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 對選出的資料通過極坐標展開方法對亮結(jié)構(gòu)強度進行指數(shù)擬合的結(jié)果, 指數(shù)擬合為藍色的曲線用fit表示, 擬合指數(shù)b和χ2在圖例中標出.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中綠色的曲線為上述圖3中兩冕環(huán)強度通過指數(shù)函數(shù)擬合的曲線, 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, 得到的兩個指數(shù)值差別很小.χ2值分別為0.59、0.65,相應在卡方檢驗中P值均在0.995以上.我們?nèi)藴什钭鳛檎`差,擬合的指數(shù)b誤差分別為23%、9%.

在圖5中對表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(圖中藍色曲線所示), 除去-0.0282的值(在圖5的圖(7)中用紅色曲線標出), 其他值偏差均在-0.001以內(nèi), 最大偏差6.7%. 我們對擬合的日冕資料進行分析發(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, 距離太陽邊緣較近, 且類似于小的冕環(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, 相對掩體邊緣較亮的部分衰減明顯更慢. 另一方面, 我們對這一時刻前后連續(xù)時間的觀測資料對比發(fā)現(xiàn)亮結(jié)構(gòu)整體形態(tài)變化較大, 其實際并非處于靜態(tài), 而是處于亮結(jié)構(gòu)的動態(tài)消散過程中. 所以對其整體積分來擬合的結(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)定的綠線冕環(huán)樣本. 對排除后的擬合結(jié)果進行卡方檢驗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. 相應在卡方檢驗中P值均在0.995以上.取標準差作為誤差,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, 對冕環(huán)強度的選取數(shù)據(jù)點較少, 可能會導致擬合產(chǎn)生的誤差較大.

為了對比冕環(huán)與亮結(jié)構(gòu)這兩種擬合結(jié)果的區(qū)別, 我們將上述兩個冕環(huán)及其所對應亮結(jié)構(gòu)的擬合放在了一起, 如圖6所示. 在圖6中, 綠色曲線為對冕環(huán)的擬合, 藍色曲線為對冕環(huán)所對應亮結(jié)構(gòu)部分的擬合. 由于對亮結(jié)構(gòu)的擬合在靠近太陽邊緣距離較近處, 掩體邊緣雜散光的影響較大, 使強度存在增強的趨勢. 我們根據(jù)圖像考慮是由于冕環(huán)兩足點處的中間位置強度過大導致,亮結(jié)構(gòu)會存在這種現(xiàn)象,但對冕環(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)強度上升的點, 亮結(jié)構(gòu)比冕環(huán)的初始位置更高一些.

圖6 對兩個日冕綠線冕環(huán)資料擬合及其對應的亮結(jié)構(gòu)擬合, 綠色曲線為對冕環(huán)的擬合, 藍色曲線為對冕環(huán)所對應亮結(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.

在同一太陽高度上, 我們發(fā)現(xiàn)亮結(jié)構(gòu)的數(shù)值強度均比冕環(huán)的強度更大, 我們分析也是由于大部分亮結(jié)構(gòu)冕環(huán)兩足點的中間位置強度對亮結(jié)構(gòu)貢獻較大, 所以在同一高度積分后的亮結(jié)構(gòu)強度明顯大于所對應的冕環(huán)結(jié)構(gòu)強度.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的值均小于所對應的亮結(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)的主要強度來自冕環(huán)包圍的底部, 所以冕環(huán)相比于整個亮結(jié)構(gòu)來說衰減更快, 自然得到的指數(shù)b的值更小. 雖然我們對兩個日冕綠線冕環(huán)擬合得到的指數(shù)值差別不大, 但由于考慮到兩個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.但通過確定出冕環(huán)結(jié)構(gòu)來擬合出衰減指數(shù)與通過圖像極坐標展開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. 對于亮結(jié)構(gòu)中其他不清晰的冕環(huán)我們試著去識別并圈定冕環(huán)或是太陽邊緣發(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的值相差近一個數(shù)量級. 我們考慮是由于不清晰的冕環(huán)自身強度較低, 距離太陽表面距離較近, 與很多其他的亮結(jié)構(gòu)混在一起, 加上背景場的影響再合并積分效應, 可能會對其強度影響較大.

在本文中, 我們利用麗江10 cm日冕儀觀測資料, 分析了日冕綠線FeXIV(5303 ?A)強度的衰減, 通過圖像極坐標展開及選取冕環(huán)來對日冕結(jié)構(gòu)內(nèi)不同強度的部分進行指數(shù)衰減擬合, 比較了兩種不同方法提取的強度分布. 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, 且通過卡方檢驗證明我們的擬合優(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的文中說明日冕亮度按高度衰減可以用多個(假定數(shù)目是n)衰減指數(shù)形式之和來表達, 而n= 2就可以反映不同時間段、不同方位角日冕結(jié)構(gòu)的衰減情況. 而針對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, 并且針對麗江日冕儀綠線數(shù)據(jù)觀測情況我們可以僅用一個衰減函數(shù)來表示.

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)整體強度在相同范圍內(nèi)隨高度的變化呈現(xiàn)相同的趨勢. 在更高的范圍, 亮結(jié)構(gòu)的強度衰減更偏向線性衰減, 低日冕以閉合磁場為主導, 高日冕以開放磁場為主導, 可見活動區(qū)與寧靜區(qū)日冕加熱機制不同, 在冕環(huán)中閉環(huán)加熱時,直流(電流耗散)和交流(阿爾芬和電磁波耗散)機制同時作用于整個閉環(huán)系統(tǒng)[18]. 1997年Wang等人利用空間太陽望遠鏡SOHO LASCO/C1日冕儀綠線資料發(fā)現(xiàn)[17], 冕環(huán)足點(1.15R⊙)附近等離子體密度與磁場強度密切相關, 所計算出的日冕形態(tài)結(jié)構(gòu)與觀測非常相似. 我們利用麗江綠線數(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強度統(tǒng)計相關性最好, 并且發(fā)現(xiàn)在這一高度范圍不同日冕結(jié)構(gòu)的亮度與外推磁場強度均能較好吻合, 麗江地面日冕儀的優(yōu)勢是可以對更靠近太陽邊緣的日冕結(jié)構(gòu)進行深入研究. 綜上所述, 我們認為通過指數(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強度資料的.最后,日冕綠線的地面觀測通常受到晝夜交替、當?shù)靥鞖鈼l件等復雜因素的限制, 容易導致觀測的不連續(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, 未來需要更高分辨率的日冕觀測數(shù)據(jù)進一步證實和改進.

5 結(jié)論

日冕作為太陽大氣的最外層, 是太陽大氣活動的關鍵區(qū)域, 也是地球物理和空間現(xiàn)象的重要輻射源. 日冕研究在科學應用領域具有特殊的重要性以及諸多尚未解決的問題, 特別是由于觀測限制, 人們對日冕低層大氣等離子體結(jié)構(gòu)和磁場狀態(tài)的研究非常欠缺, 國際上對于可見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(FeXIV5303 ?A)觀測資料, 對內(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)首次進行了專門的強度衰減分析,我們通過對太陽盤極坐標展開確定亮結(jié)構(gòu)范圍和圈定冕環(huán)的方式來提取出不同高度日冕綠線強度.對亮結(jié)構(gòu)及其冕環(huán)的強度在太陽徑向高度上進行了指數(shù)衰減擬合, 通過比較這些擬合結(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]基于光譜掃描測光的標準統(tǒng)計擬合結(jié)果吻合. 我們擬合的冕環(huán)高度在1.1R⊙與其對應亮結(jié)構(gòu)擬合結(jié)果相近, 最近的冕綠線研究中, 借助日冕綠線的高亮度和綠線對光球?qū)哟艌龅母哽`敏度, Zhang等[18]發(fā)現(xiàn)冕環(huán)頂部的高度1.1R⊙處亮度與磁場強度相關性最高, 證實了日冕綠線亮度與磁場強度之間的密切關系. 日冕磁場在太陽活動中起著重要作用, 基于日冕綠線的測量, 進一步深入探討日冕綠線與磁場強度的相關性, 能為日冕磁場測量尋找觀測證據(jù). 日冕綠線5303 ?A與EUV波段中211 ?A強度相關性最高[18],且日冕形態(tài)相似,未來也可以利用不同波段對日冕深入研究, 有望精確跟蹤在5303 ?A觀測到的出現(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)生的物理過程進行多波段聯(lián)合分析. 接下來我們還將針對不同太陽活動周和日冕緯度分布來繼續(xù)深入開展本項研究.