太阳过渡区爆发事件的紫外谱线学研究

摘要

太阳过渡区爆发事件是过渡区重要的小尺度现象之一，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过渡区小尺度事件提供了有力的光谱学诊断工具。爆发事件及其它过渡区小尺度现象的形成机制以及它们之间的相互联系(例如，与EUV针状体和闪烁物的联系)一直是太阳物理学家讨论的问题。对这些重要现象及其相互关系的研究有利于我们了解过渡区结构，建立清晰准确的过渡区模型。过渡区小尺度事件的研究对日冕加热、太阳风起源和过渡区能量输运等问题的探究也有很大的推动作用。Lyβ谱线是氢原子Lyman系列谱线中重要的一支谱线。由于辐射转移效应，Lyβ谱线与其它过渡区发射谱线的形状差异很大，普遍呈现非高斯形状(中心反转、两翼形成两峰)。Lyβ谱形受到宁静区与冕洞的不透明性和过渡区流场(稳定的流场和瞬时流动)的影响。对Lyβ谱线形状的研究有利于我们了解太阳大气各区域的结构和流动，深入理解谱线的产生和吸收机制。
　　 本文以分析紫外谱线资料为主并结合理论分析，对爆发事件及Lyβ谱形进行了详细的研究，主要结果如下：
　　 过去对爆发事件的研究主要基于日面宁静区的观测，冕洞区极少涉及。本文系统研究了极区冕洞内爆发事件及其在低日冕的速度特性。通过极区冕洞内观测的爆发事件的统计分析，得到冕洞内爆发事件的出现率约10-21～10-20cm-2 s-1，爆发事件寿命约2min，与日面爆发事件基本一致。但是，极区冕洞内观测的爆发事件的空间尺度普遍较大(沿狭缝方向尺寸约4″)，同时，靠近日面边缘可观测的爆发事件很少，这两个新的发现说明爆发事件的喷流速度主要沿垂直日面方向，所以在视向上不易产生谱线展宽且由于投影效应使其在极区的尺度变大。同时，低温谱线NⅣ观测的爆发事件在高温谱线NeⅧ相应位置均有响应，表现为蓝移增大或谱线增宽。对爆发事件谱线进行三高斯拟合的结果表明，高温谱线NeⅧ得到的蓝翼平均速度高于低温谱线NⅣ，表明在这一过程中等离子体既得到加热又得到加速。本文对冕洞区爆发事件的系统分析，是对前人研究的一个重要的补充。
　　 日面观测的小尺度事件与太阳边缘观测到的小尺度事件之间的联系一直被探讨，但不够深入。本文通过宁静区和极区冕洞观测到的OⅣ、NⅣ和NeⅧ谱线的速度图，研究了两区域小尺度速度跃变事件的强度、宽度等参数的变化规律。跃变事件的蓝移、红移速度可达每秒几十千米。跃变事件的尺寸、寿命与常见的日面边缘EUV针状体大致相符。速度跃变事件初始时，一般在一些强的蓝移点处产生爆发事件，谱线呈现非高斯形状，寿命约几分钟，有的光谱可见明显的双向喷流，且均能被高温谱线NeⅧ所观测。有的爆发事件产生时谱线强度急剧增加，导致局地亮度突然增强，类似于闪烁物增亮事件。冕洞内可观测到准周期约16分钟的小尺度速度跃变事件，其强度振荡变化可判断出闪烁物事件。因此，我们可以推断，本文在极区冕洞内观测的速度跃变事件与爆发事件、闪烁物和EUV针状体有着紧密的联系。
　　 Lyβ谱线形状受到区域大气不透明性与流动的影响。我们统计研究了宁静区、赤道和极区冕洞各区域Lyβ的谱形。通过分析冕洞和宁静区按强度分类得出的Lyβ谱形，我们发现：冕洞区Lyβ谱线强度越大，谱线中心反转越强；反之越弱，最弱的谱线有的无反转。宁静区Lyβ谱线红峰高于蓝峰，赤道冕洞的Lyβ谱线红峰与蓝峰强弱相当，极区冕洞的Lyβ谱线蓝峰却高于红峰。各区域谱线形状随强度渐进性变化。同时对Lyβ谱形与CⅡ和OⅥ谱线的速度关系的统计分析表明，CⅡ谱线的多普勒速度越大，Lyβ谱线的不对称性越明显。赤道冕洞的Lyβ谱线的反转中心与OⅥ谱线线心位置有较明显一致性。我们发现宁静区Lyβ谱线的强度仅与OⅥ速度大小相关，随着OⅥ视向速率变小Lyβ谱线的强度也变小。Lyβ谱形的这种复杂变化现象可能说明该谱线包含了丰富的关于太阳色球层和过渡区的动力学过程的信息。
　　 太阳动态的过渡区存在各种瞬变现象产生的瞬变流场可能导致Lyβ谱线形状的变化，我们首次研究了过渡区爆发事件喷流对Lyβ谱线形状的影响。通过赤道冕洞和宁静区CⅡ、OⅥ谱线的爆发事件诊断，得出了CⅡ事件和OⅥ事件对应的OⅥ、Lyβ和CⅡ谱线的平均谱形。不论宁静区还是冕洞，爆发事件的Lyβ平均谱线的中心反转强且有明显的两峰。这种趋势在CⅡ事件的Lyβ谱线上更明显。相关性分析表明，爆发事件发生时CⅡ和OⅥ谱线的两翼和Lyβ两峰的辐射强度均有正相关性，且两者的相关性在CⅡ谱线的两翼和OⅥ的红翼较好，但在OⅥ的蓝翼较弱。本文研究证明，瞬变的过渡区流场可以明显改变Lyβ的谱形。因此，在分析Lyβ等赖曼谱线的谱形所反映的物理过程时，既要考虑谱线的源函数、不透明度，也要考虑过渡区和日冕中的流场，包括准稳定的流场和瞬变的流场。本文对于Lyβ谱形研究也将推动Lyα谱线对动态现象响应的研究，其谱形对动态现象(小到过渡区爆发事件，大到耀斑和CMEs)的响应将是研究太阳爆发的一个新思路。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 引言

1.1过渡区

1.1.1过渡区磁场

1.1.2过渡区谱线

1.2过渡区爆发事件及其它小尺度事件

1.2.1过渡区爆发事件

1.2.2 EUV针状体

1.2.3闪烁物

1.2.4爆发事件与其它小尺度事件间的联系

1.3爆发事件与太阳风加速和日冕加热

1.4氢原子赖曼贝塔(Lyβ)谱线特征

1.5本文研究工作

第二章 观测仪器及光谱学诊断原理

2.1 FUV/EUV波段观测的简要回顾

2.2 SOHO飞船

2.3 SUMER光谱仪

2.3.1 SUMER光谱仪结构

2.3.2 SUMER光谱仪的观测模式

2.3.3 SUMER数据校正

2.3.4 FUV/EUV谱线的诊断

2.4极紫外成像望远镜(EIT)

2.5迈克尔逊多普勒成像仪(MDI)

第三章 极区冕洞内爆发事件及其在日冕底部谱线的响应

3.1观测数据及分析方法

3.2观测结果

3.2.1极区冕洞内爆发事件的寿命和大小

3.2.2极区冕洞内爆发事件的速度特征

3.2.3爆发事件在高温谱线的响应

3.3结论与讨论

第四章 爆发事件与其它小尺度事件间的相互联系

4.1观测数据及分析方法

4.2观测结果

4.2.1中过渡区谱线观测的速度跃变事件

4.2.2高过渡区谱线观测的速度跃变事件

4.3结论与讨论

第五章 氢Lyβ谱线的谱形研究

5.1观测数据

5.2观测结果

5.2.1 Lyβ谱线谱形随其强度的变化

5.2.2冕洞内Lyβ谱线谱形随CⅡ谱线速度的变化

5.2.3赤道冕洞与宁静区Lyβ谱线随OⅥ速度和磁场强度的变化

5.3结论与讨论

第六章 爆发事件对应的Lyβ谱线特征

6.1观测数据及分析方法

6.2观测结果

6.3结论和讨论

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间完成的论文和参加的学术会议