太阳耀斑大气动力学的光谱诊断和模拟研究

Solar flares are energetic events in the solar atmosphere, whose dynamics is a long-lasting important topic in solar physics. As the high-resolution spectroscopic observations and numerical simulations develop, the flare dynamics is further understood. However, there still exist some unresolved key problems, such as coupling of the optically-thin corona and the optically-thick chromosphere, and dynamic behaviours of some important optically-thick spectral lines. This project focuses on the flare dynamics through the corona down to the chromosphere via spectroscopic diagnostics and numerical modeling. The UV/EUV lines covering a wide temperature range from IRIS and Hinode/EIS are mainly used to study the flare dynamics particularly of the transition region and chromosphere. Meanwhile, combining the state-of-the-art radiative hydrodynamic simulations, we will study the dynamic response of some important lines including the Si IV line formed in the transition region and the chromospheric Lyα line. This project aims to further understand the coupling process of the optically-thin corona and the optically-thick chromosphere. This project can also provide some theoretical explanations for the future observations from ASO-S/LST that will be launched around 2022.

太阳耀斑是发生在太阳大气中的一种剧烈的活动现象，其动力学过程（即等离子体运动）一直是人们重点研究的课题。近几十年来，随着高分辨率光谱观测以及数值模拟的发展，耀斑大气动力学研究被推进到一个新的高度。但同时，仍有一些关键的科学问题没有解决，如光学薄日冕和光学厚色球的耦合、一些重要光学厚谱线的特征及其起源等。本项目拟通过光谱诊断和模拟手段来深入研究耀斑大气的加热和动力学过程。我们首先利用IRIS和Hinode/EIS观测到的多波段谱线（覆盖从日冕到色球的多温度层次）来研究耀斑大气各个层次（尤其是过渡区和色球层）的动力学特性，然后结合先进的辐射动力学模拟来研究一些重要谱线（如过渡区Si IV线和色球Lyα线）对耀斑加热的动力学响应，旨在推进对耀斑期间日冕和色球的耦合过程的理解，并为我国首颗太阳探测卫星ASO-S上搭载的Lyα太阳望远镜LST的观测提供理论依据。

太阳耀斑大气动力学涉及色球蒸发、日冕凝聚、以及磁重联等物理过程，一直是太阳物理中被十分关注的课题。近年来一些关键问题，如光学薄日冕和光学厚色球的动力学耦合、若干重要谱线（如过渡区Si IV线和光学厚Lyα线）的动力学响应及物理起源等亟待解决。本项目正是围绕这些科学问题展开，利用高分辨率观测资料（如IRIS光谱数据）和先进的辐射动力学模拟（RADYN）对耀斑大气不同层次的动力学响应、以及过渡区Si IV线和光学厚Lyα线在耀斑中的辐射特征和动力学性质进行了深入的研究，重要结果及科学意义有：（I）在IRIS Si IV, Mg II, C II线中，除了观测到爆发式色球蒸发还探测到了温和式色球蒸发，利用IRIS数据充分验证了色球蒸发理论；厘清了IRIS Mg II蓝鼓包的物理成因：主要源于色球上层出现向上的等离子体运动，其形成区域可在色球蒸发区、向上运动的等离子体团中、甚至色球压缩区；在非热电子束加热情形下，形成在不同层次的谱线（如Lyα和Hα）和连续谱（如3600 Å和4250 Å）表现出不同的辐射特征，并可揭示能量传输过程。（II）对于不同等级的耀斑，其耀斑环足点处Si IV谱线表现出了不同的轮廓特征，如红不对称或整体红移等，这些与硬X射线辐射相关，暗示了不同的加热机制；在耀斑环足点和环上，Si IV谱线表现出不同的轮廓形状，如单高斯或多峰，主要由不同物理过程产生，如磁重联出流或日冕凝聚等；Si IV共振线积分强度比和每个波长点强度比是否偏离2可用于诊断Si IV线是否光学厚，尤其后者更为准确。（III）耀斑Lyα辐射峰值可出现在耀斑上升相、耀斑峰值附近、以及缓变相，其辐射来源有非热电子束加热，热传导加热、以及等离子体冷却；耀斑Lyα辐射主要来源于耀斑带（耀斑环足点），也有部分来自耀斑环，其空间分布和时间演化与He II 304 Å具有相似性。非热电子束和热传导加热条件下的Lyα谱线表现出不同的特征，如是否存在线心反转和不对称性转变等。这些结果不仅可以帮助我们理解太阳耀斑的Lyα辐射特性（如ASO-S/LST观测），还可帮助我们研究恒星耀斑的Lyα辐射。