太阳低层大气活动的光谱诊断和辐射动力学模拟

There are different types of activities in the solar atmosphere, whose characteristics are dependent on the heights and environments of their origin sites. The activities in the lower atmosphere have been relatively less studied, mainly owing to the difficulties in dealing with the physical processes under conditions of high density, low ionization degree, large optical depth and, in particular, a strong coupling between the radiation field and gas dynamics. This project aims to explore three typical solar activities in the lower atmosphere, namely white-light flares, magnetic transients and Ellerman bombs, by using the latest multi-wavelength data observed by both space and ground-based instruments and the state-of-the-art radiative hydrodynamic simulations. The project tries to solve the following scientific problems: the environment of the white-light emission source, the heating and emission mechanisms of white-light flares, the emission property at magnetic transients, the physical condition leading to the change of magneto-sensitive lines, the origin height and energy release of Ellerman bombs and the relationship between Ellerman bombs and IRIS bombs. The project can also provide some insight into the relationship and comparison between solar activities in the higher atmosphere and those in the lower atmosphere.

太阳大气中存在不同种类的活动现象，它们的特性与其发生高度和环境具有密切的关系。相对来说，目前对发生于低层大气的活动现象的研究比较欠缺，主要原因是低层大气的高密度、低电离度、光学厚等性质以及辐射场与大气动力学的高度耦合性，使得对这一类活动现象的物理过程的研究带来困难。本项目拟利用最新的空间和地面的多波段观测，结合先进的辐射动力学模拟方法，对三个典型的低层大气活动现象，包括：白光耀斑、磁场瞬变、埃勒曼炸弹，进行深入的观测分析和理论研究，致力于解决以下的关键科学问题：白光辐射源的产生环境，白光耀斑加热和辐射机制，磁场瞬变区域的辐射特征，磁敏谱线轮廓变化的物理条件，埃勒曼炸弹的起源高度和能量释放形式，埃勒曼炸弹与IRIS炸弹的关系。本项目也为低层大气活动与高层大气活动的相互联系以及物理过程的比较提供研究基础。

本项目利用高分辨率的观测数据以及先进的辐射动力学模拟，对太阳低层大气活动的光谱特征、动力学特征、加热机制等方面开展了深入研究。同时，本项目也对太阳爆发活动的磁场结构、起源机制开展了观测和模拟研究，探讨了太阳大气能量释放机制。本项目的主要研究内容和取得的成果如下：（1）定量研究了太阳耀斑爆发时低层大气磁敏谱线（Fe I 6173 Å和Mg I 12.32 μm）以及典型色球谱线（Lyα和Mg II k）的响应；研究了白光耀斑、埃勒曼炸弹、紫外暴和光球亮点等低层活动现象的起源高度、加热需求以及相应的光谱特征。（2）对耀斑的不同区域进行了详细的光谱诊断，获得了不同动力学过程（色球蒸发、磁重联出流、冕雨）的光谱特征，提出了基于波长点辐射强度比值的Si IV谱线光学厚度诊断方法。（3）详细研究了太阳爆发的动力学特征，发现早期演化都包含了一个慢速上升相和一个主加速相；分析了磁绳的结构及其演化过程，发现大部分磁绳在爆发前就已存在，并提出了估算磁绳轴向通量演化的一种方法；发现磁绳的分叉可以导致耀斑带从圆形转化为平行结构。（4）开展了数据驱动的磁流体力学数值模拟，重构出了与观测符合的磁绳结构；通过模拟再现了一次失败爆发，发现一个新的洛伦兹力分量，源于磁绳径向的磁场分量，可以有效抑制磁绳的爆发；通过辐射磁流体力学模拟，研究了日冕极紫外波和微耀斑的起源机制。（5）提出了一种基于观测量即冕环足点非理想运动导致的日冕加热模型，重构出与观测符合的日冕结构；分析了电流片的动力学和光谱特征，发现磁重联具有湍动性质。以上的研究成果对了解太阳低层大气活动的起源机制，建立太阳爆发活动的物理模型具有重要的科学意义。