太阳大气磁场结构和太阳活动机制的研究

The solar atmosphere is constituted of highly magnetized plasma. Magnetic fields play a key role in understanding various active phenomena in the solar atmosphere. People could derive the velocity field on the photosphere by means of observing magnetic fields there and velocity tracing methods. However, there are still difficulties in measuring the horizontal velocity field and in measuring the magnetic field in the higher solar atmosphere (such as in the corona), which hinders us from understanding solar active phenomena. In this proposal, we are going to adopt vector magnetic fields obtained by advanced polarimetric instruments, latest magnetic extrapolation methods, and velocity field tracing methods developed in recent years to study the three dimensional magnetic structures in the solar atmosphere and physical mechanisms of solar active phenomena. Particularly, we are going to study topologies of the three dimensional solar magnetic field, causes, processes, and consequences of the magnetic helicity injection, based on which we will further study the physical mechanisms of solar activities. By the study in this proposal, we hope to understand, in a deeper way, the trigger and driving mechanisms of solar flares and coronal mass ejections (CMEs), the magnetic field structures of solar filaments, and physical mechanisms of other solar structures and activities, such as active regions, coronal holes, small bright points, micro-flares, and so on.

太阳大气是由磁化的等离子体组成的，磁场对理解太阳大气中的各种活动现象起着至关重要的作用。通过磁场的观测和速度追踪方法，人们可以得到光球的速度场。然而，不论是光球的水平速度场还是太阳高层大气中(比如日冕)的磁场测量都还存在着困难，从而影响了我们对太阳活动现象的理解。本项目拟采用先进的偏振测量仪器得到的光球矢量磁场以及近几年来发展的最新的磁场外推方法和速度场计算方法来研究太阳的三维磁场结构以及太阳活动现象的物理机制。我们准备重点研究太阳三维磁场的拓扑结构，螺度注入和积累的原因、过程和结果，并且在此基础上研究太阳活动现象的物理机制。通过本项目的研究，我们希望更加深入地理解耀斑和日冕物质抛射的触发和驱动机制、暗条的磁场结构以及其它太阳结构和活动（比如活动区、冕洞、小亮点、微耀斑等）的物理机制。

太阳大气中充满了磁化的等离子体。磁绳爆发、耀斑、日冕物质抛射和日冕波动等太阳活动现象是由磁场及其演化引起的。然而太阳大气中的磁场只能在光球中被常规观测到。由于日冕具有较低的气压磁压比，静止状态下的日冕磁场可以由无力场来近似模拟。因此，我们这个项目集中研究如下问题：（1）太阳光球磁场的观测和分析；（2）光球速度场和磁螺度的计算；（3）非线性无力场外推技术以及磁场拓扑结构分析技术的发展和应用；（4）运用上述手段来解释太阳大气中的结构和活动现象。我们得到了如下重要结果。第一，我们进一步完善和发展了球坐标下的非线性无力场外推技术并且把它应用到了观测之中。第二，我们通过多波段观测以及矢量磁场、光球速度场、磁场结构的分析，解释了重现日冕喷流的机制，构造了缠绕喷流的模型。第三，我们编写了计算三维压缩因子的程序，从而可以得到准分界面的三维结构。三维准分界面结构显示磁绳周围由准分界面包裹，磁重联特别容易在这些地方发生，从而把光球注入的螺度传输到磁绳中。第四，我们使用观测结果和磁流体力学波的理论研究了冕环系统内激发的Kink模波动的基频和一次谐频震荡现象，并且使用冕震学计算出的磁场强度和三维磁场外推的结果进行了详细地比较。第五，我们使用太阳动力学天文台（SDO）搭载的大气成像组件（AIA）观测的高分辨率极紫外图像对日冕极紫外传播前端进行了一个统计研究，并且使用日震和磁场成像仪（HMI）观测的磁场外推得到了这些传播前端的三维磁场结构。我们发现非波分量很可能是由于磁场重联产生的。