【摘要】：太陽低層大氣溫度低、密度大,且處于部分電離的狀態(tài),與日冕相比輻射和動力學(xué)過程更為復(fù)雜。在低層大氣中存在許多小尺度的活動,這些活動的具體觸發(fā)機制尚不清楚。近年來高分辨率的光譜觀測為我們提供了更多的太陽低層大氣的信息,但是形成于低層大氣的譜線大部分是光學(xué)厚的,如何從光譜特征反演出大氣的物理參數(shù)也是一個非常復(fù)雜的問題。另一方面,在不同加熱方式下的輻射動力學(xué)模擬,有助于我們得到更清晰的太陽低層大氣輻射與動力學(xué)過程的物理圖像,也使我們對光譜特征的起源有了更深入的了解。本論文的目的是將光譜分析和輻射動力學(xué)模擬相結(jié)合,研究太陽低層大氣在太陽活動時的響應(yīng)。論文的主要內(nèi)容如下:第一章簡要介紹了太陽的光譜觀測歷史,特別是針對太陽低層大氣的觀測。隨后以埃勒曼炸彈和微耀斑為例,介紹了低層大氣活動的主要光譜特征及可能的觸發(fā)機制,同時也介紹了太陽活動對光球譜線產(chǎn)生的影響。第二章主要對相關(guān)的觀測儀器以及一些基本的數(shù)據(jù)處理方法作了簡要的介紹,包括不同儀器之間觀測圖像的對齊以及光球矢量磁場的外推。第三章介紹了輻射動力學(xué)模擬的基本方法與程序。第四章介紹了部分頻率再分配下譜線的計算程序。第五章主要研究埃勒曼炸彈的色球光譜響應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn),通過光學(xué)厚譜線的位移或者不對稱性來推導(dǎo)多普勒速度是非常困難的,特別是使用等分線方法得到的速度變化很大�？紤]到埃勒曼炸彈主要發(fā)生在低層大氣中某一特定區(qū)域,具有線翼發(fā)射、線心吸收的光譜特征,我們提出了雙層云模型來擬合觀測的光譜,其中下層云對應(yīng)線翼的發(fā)射,而上層云則對應(yīng)線心的吸收。在仔細確定了自由參數(shù)的范圍之后,我們得到了令人滿意的擬合結(jié)果。結(jié)果表明,埃勒曼炸彈區(qū)域的下層云的源函數(shù)相對于寧靜區(qū)有所增加,對應(yīng)的溫度升高了 400-1000 K。這與以往的半經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷挠嬎憬Y(jié)果相一致,證明了埃勒曼炸彈發(fā)生時低層大氣存在局部的加熱。我們也發(fā)現(xiàn)兩層云的光學(xué)深度均有所增加,可能來源于當(dāng)?shù)刂苯拥募訜?下層云),或者來自下方輻射的增強(上層云)。用云模型方法擬合得到的速度是平均的運動速度,與使用等分線方法得到的速度有所差異�？傮w而言,雙層云模型可以作為一個有效的方法來推導(dǎo)埃勒曼炸彈的基本物理參數(shù)。第六章主要研究埃勒曼炸彈的紫外光譜響應(yīng)。通過對FISS和IRIS同時觀測到的埃勒曼炸彈進行光譜分析,我們發(fā)現(xiàn)Hα、CaⅡ8542A和MgⅡ三重線的線翼發(fā)射以及1700 A和2832 A紫外連續(xù)譜圖像上的增亮,證明了太陽低層大氣存在加熱效應(yīng)。另外,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)埃勒曼炸彈發(fā)生時,MgⅡ三重線的強度與Hα譜線的強度具有相關(guān)性,這提供了使用Mg Ⅱ三重線進行埃勒曼炸彈證認的另一種方式。然而,我們在IRIS更熱的譜線(CⅡ和Si Ⅳ)中沒有發(fā)現(xiàn)任何響應(yīng)。我們采用雙層云模型同時對兩條色球譜線(Hα和CaⅡ 8542 A)進行擬合,發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)販囟壬吡?2300 K。這個溫度增量在埃勒曼炸彈的模型中屬于比較大的值,然而仍不足以在紫外波段產(chǎn)生明顯輻射增強的特征。第七章使用輻射動力學(xué)模擬來研究埃勒曼炸彈在不同加熱模式下色球譜線的響應(yīng)與演化。我們假設(shè)低層大氣的能量釋放有兩種方式,即熱方式(直接加熱等離子體)和非熱方式(通過高能電子束加熱)�？偟膩碚f,兩種模型都可以得到與觀測相近的譜線輪廓,但存在一些有趣的差異。在非熱模型中,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)加熱開始時Hα線翼和連續(xù)譜產(chǎn)生短暫的變暗現(xiàn)象;然而在熱模型中,譜線的變暗現(xiàn)象只發(fā)生在Hα線心,并且持續(xù)時間較長。因此,利用譜線輪廓的特征可以鑒別埃勒曼炸彈究竟是由非熱過程主導(dǎo)還是熱過程主導(dǎo)。我們也發(fā)現(xiàn),如果提高加熱速率,Hα譜線的強度將會變得更高,但仍然沒有明顯的紫外爆發(fā)的特征。第八章主要介紹微耀斑中色球磁重聯(lián)的觀測證據(jù)——雙向流。在耀斑峰值時刻,耀斑位置兩側(cè)的色球譜線表現(xiàn)出明顯的藍移和紅移分量,對應(yīng)的物質(zhì)運動速度為±(70-80)kms-1,與色球當(dāng)?shù)氐陌柗宜俣认嘟�。通過三維非線性無力場的重構(gòu),進一步展示了低層大氣扭纏的磁力線(磁繩),與He Ⅰ 10830 A圖像上觀測到的暗絲結(jié)構(gòu)在空間上位置相一致。磁繩的不穩(wěn)定性可能觸發(fā)了與耀斑相關(guān)的磁重聯(lián)。我們的觀測提供了色球磁重聯(lián)明顯的證據(jù),也說明了微耀斑和大耀斑具有相似的觸發(fā)機制。第九章基于輻射動力學(xué)模擬來研究耀斑大氣加熱對光球譜線Fe Ⅰ 6173 A的作用。我們采用寧靜太陽大氣和與黑子半影大氣作為初始大氣,并假設(shè)加熱能量來源于高能電子束的轟擊。結(jié)果表明,在寧靜太陽大氣中,中等耀斑發(fā)生時Fe Ⅰ 6173 A譜線的線心強度有明顯的增加。線心發(fā)射的增強既來自于光球中的輻射致熱,也來自于低層色球的電子束加熱。低層色球物質(zhì)存在微弱的向上運動,在譜線輪廓中表現(xiàn)為藍不對稱性。在黑子半影大氣中,譜線對耀斑加熱的響應(yīng)更加明顯,線心甚至表現(xiàn)為發(fā)射峰,不對稱性也更強。實際觀測中,HMI較低的光譜分辨率會損失部分信息,但是線心發(fā)射的增強與譜線不對稱性仍然得以保留。我們通過計算偏振光譜,發(fā)現(xiàn)斯托克斯I與V輪廓均能在耀斑加熱時發(fā)生改變。因此,這條譜線輪廓的變化對于磁場的反演有著至關(guān)重要的影響,可以用來解釋與太陽耀斑相關(guān)的磁場瞬時變化。最后,我們對本文的工作進行了總結(jié),并且對未來的研究方向進行了展望。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P182.2
【圖文】：

圖１．２：古迪太陽望遠鏡使用白光連續(xù)譜對太陽光球的觀測，可見黑子群與米粒組織。逡逑現(xiàn)舊米粒的不斷消退和新米粒的不斷形成，在太陽表面形成類似沸水不斷沸騰逡逑的圖像（圖１．２）。光球中存在大量的中性金屬的吸收線，通過生長曲線的方法可逡逑以從這些吸收線的觀測上推導(dǎo)出太陽光球的金屬豐度［１４］。逡逑由于光球的輻射十分強烈，只有在日全食時，太陽光球完全被月球的影子逡逑擋住，我們才可以看見光球外側(cè)的太陽大氣。這當(dāng)中最顯眼的要數(shù)日冕了。最早逡逑關(guān)于日冕的記錄是拜占庭歷史學(xué)家蒂亞克努斯（Ｌｅｏ邋Ｄｉａｃｏｎｕｓ）對公元９６８年一逡逑次日食的描述［１５］：逡逑在曰出后第四個小時……黑暗籠罩了地面，所有最亮的星星開逡逑始閃耀。太陽表面陰暗無光，但是在邊緣卻有一圈暗淡的光輝，像是逡逑鑲了邊一樣。逡逑“日冕（ｃｏｒｏｎａ）”得名于它冠冕狀的結(jié)構(gòu)（圖１．３）。日冕尺度很大，可以直到太逡逑陽表面以上幾百萬公里；溫度可達幾百萬度，高溫下氫原子基本處于完全電離逡逑的狀態(tài)。日冕的輻射除了可見光輻射外（也稱為白光日冕），還有從射電一直到逡逑３逡逑

色球本身也是不均勻的［２０］。觀測上最顯著的是在光球超米粒組成的網(wǎng)絡(luò)逡逑結(jié)構(gòu)對應(yīng)位置上的色球網(wǎng)絡(luò)（ｎｅｔｗｏｒｋ），以及沿著磁力線緊密排列的纖維狀物質(zhì)逡逑（圖１．４）。在日面邊緣也可以觀測到頻繁向上拋射的細而明亮的物質(zhì)，稱為針狀逡逑體（ｓｐｉｃｕｌｅ）。逡逑４逡逑

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3 張萍;方成;;太陽低層大氣內(nèi)小尺度活動——埃勒曼炸彈和微耀斑的物理特性和理論解釋[J];天文學(xué)進展;2011年04期

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本文編號：2737496