太阳暗条精细结构的高分辨率观测与统计研究

Solar filaments are important magnetized structures containing cool and dense plasma embedded the hot solar corona. Filaments sometimes undergo large-scale instabilities, which break their equilibria and lead to eruptions, so they are often associated with flares and coronal mass ejections (CMEs). Therefore, investigating the formation and features of filaments not only benefits toward understanding the essence physics behind the solar activities but also in favour of exactly predicting the space weather events. With the rapid development of the telescopes, both time cadences and spatial resolutions of the observations are becoming higher and higher. As a consequence, we have to deal with a vast amount of data, and automated detection is an efficient way to derive the features of interest in the observations. The project will firstly develop and improve our solar filament barb-bearing automatic detection algorithm, then adopt it to detect the solar filament barb-bearing. Secondly, we will determine the filament chirality through calculating the magnetic helicity from the vector magnetograph data. Finally, we will give a clear correspondence between the filament chirality and the barb-bearing and obtain other quantitative results. Furthermore, by analyzing the high-resolution filament barb and fiber observation, with the help of extrapolating three-dimension nonlinear force-free field structures based on the vector magnetograph data, we will study the physical properties of the filament fine structures in order to uncover the physical mechanism of their formation and evolution.

太阳暗条是一种存在于日冕中、由磁场支撑的低温高密的等离子体结构。暗条有时积累着大尺度的不稳定性，在一定的条件下破坏静态平衡导致暗条的爆发，与耀斑和日冕物质抛射有着紧密的关系。因而对暗条的演化和形态结构的研究不但对理解太阳活动的物理本质有着重要的意义，对准确预报灾害性空间天气也有重要的现实意义。随着观测技术的进步和存储设备的革新，必须通过自动检测和分析的方法才能高效及时地处理海量数据并挖掘有效信息。本项目计划首先开发并完善暗条分叉自动检测算法，之后应用此算法对海量数据进行分析处理，对相应暗条所在位置的矢量磁场数据进行分析，通过计算磁螺度符号来判定暗条主轴手征性，给出暗条主轴手征性和分叉手征性的对应关系及其相关的定量结果。此外，通过对暗条分叉、纤维结构高分辨率的观测分析，结合三维非线性无力场结构，以及与理论模型的比较，最终得到暗条精细结构的物理特征、形成及演化可能的机制。

太阳活动如耀斑、暗条、日冕物质抛射等是近地空间的恶劣空间天气主要来源。因而对这些太阳活动的研究不但对理解太阳活动的物理本质有着重要的科学意义，对准确预报灾害性空间天气有重要的现实意义。本研究一方面侧重开发和完善暗条自动检测算法，使用该程序实现对太阳暗条及其分叉结构等特征的长周期演化的统计研究；另一方面，利用高分辨率望远镜观测优势，对白光耀斑、光球亮点等低层大气的太阳活动观测结果进行深入地研究。通过自动检测算法，我们得到了从1973年到2018年横跨第20～24太阳周的暗条蝴蝶图并得到了暗条面积、主轴长度、倾角、分叉数目等特征的分布；暗条的漂移规律；南北半球不对称性特征。我们发现在大样本统计的情况下，特别是对宁静区暗条来说，可以通过统计（总）的暗条分叉结构的手征性来判断暗条主轴的手征性。相对的，活动区暗条拥有较少的分叉结构，不能单独通过图像来判断主轴的手征性。此外，我们研究了ONSET观测到的一个罕见的环形白光耀斑，发现其存在两类不同的白光辐射源：一类是与硬X射线辐射相对应的脉冲源，另一类是与硬X射线辐射没有明显关系的缓变源。缓变源上升和衰减都比较慢，延续时间明显比脉冲源长，是白光耀斑的一个新发现。最后，我们利用美国1.6米的GST望远镜观测的Hα和Ca II 8542 Å的光谱，以及宽带TiO图像详细分析研究了三个光球亮点，发现在Hα和Ca II 8542 Å远线翼有连续发射成分，同时TiO波段也有对应增强。通过非局部热动平衡半经验模型的计算，我们发现光球亮点的温度增强约为200～500K。结果表明光球亮点一定程度加热了上层大气，特别是谱斑。