太陽磁場測量及其原理

1、2021-10-23基金委基金委2009年度資助創(chuàng)新群體實(shí)地考核會(huì)年度資助創(chuàng)新群體實(shí)地考核會(huì)1觀測及聯(lián)測需求觀測及聯(lián)測需求第一課題組：第一課題組：國家天文臺(tái)：顏毅華（組長）、鄧元勇、張枚、蘇江國家天文臺(tái)：顏毅華（組長）、鄧元勇、張枚、蘇江濤、譚寶林、譚程明濤、譚寶林、譚程明云南天文臺(tái)：劉忠（副組長）、屈中權(quán)、劉煜云南天文臺(tái)：劉忠（副組長）、屈中權(quán)、劉煜任務(wù)書任務(wù)書 太陽磁場的起源與演化太陽磁場的起源與演化 太陽活動(dòng)區(qū)的起源與演化太陽活動(dòng)區(qū)的起源與演化 太陽射電物理研究太陽射電物理研究 太陽磁場的延伸研究太陽磁場的延伸研究主要觀測設(shè)備（主要觀測設(shè)備（1） 中國太陽射電寬帶動(dòng)態(tài)頻譜儀（懷柔）：中國

2、太陽射電寬帶動(dòng)態(tài)頻譜儀（懷柔）：高時(shí)間高時(shí)間- -頻率分辨率，目前國際上同類設(shè)備中有重要影響頻率分辨率，目前國際上同類設(shè)備中有重要影響的先進(jìn)設(shè)備。包括：的先進(jìn)設(shè)備。包括： 1.10-2.06ghz1.10-2.06ghz（時(shí)間分辨率為（時(shí)間分辨率為5 5毫秒，頻率分辨率為毫秒，頻率分辨率為4mhz4mhz，240240個(gè)通道）個(gè)通道） 2.60-3.80ghz2.60-3.80ghz（時(shí)間分辨率為（時(shí)間分辨率為8 8毫秒，頻率分辨率為毫秒，頻率分辨率為10mhz10mhz，120120個(gè)通道）個(gè)通道） 5.20-7.60ghz5.20-7.60ghz（時(shí)間分辨率為（時(shí)間分辨率為5 5毫秒，頻率

3、分辨率為毫秒，頻率分辨率為20mhz20mhz，120120個(gè)通道）個(gè)通道） 2.84ghz2.84ghz的射電流量計(jì)，連續(xù)運(yùn)行了的射電流量計(jì)，連續(xù)運(yùn)行了3 3個(gè)太陽活動(dòng)周。個(gè)太陽活動(dòng)周。 主要觀測設(shè)備（主要觀測設(shè)備（2） 多通道太陽望遠(yuǎn)鏡（懷柔）：多通道太陽望遠(yuǎn)鏡（懷柔）：35cm35cm太陽磁場望遠(yuǎn)鏡太陽磁場望遠(yuǎn)鏡：光球：光球(=5324)(=5324)和色球和色球(=4861)(=4861)矢量磁場、視線速度場矢量磁場、視線速度場10cm10cm全日面矢量磁場和視線速度場望遠(yuǎn)鏡全日面矢量磁場和視線速度場望遠(yuǎn)鏡，附帶寬，附帶寬0.1a0.1a的萬能雙折射濾光器的萬能雙折射濾光器14cm14

4、cm色球望遠(yuǎn)鏡色球望遠(yuǎn)鏡，全日面和局部區(qū)色球，全日面和局部區(qū)色球hh單色像、色單色像、色球縱向磁場球縱向磁場8cm caii =39338cm caii =3933全日面單色像望遠(yuǎn)鏡全日面單色像望遠(yuǎn)鏡60cm60cm多通道太陽望遠(yuǎn)鏡主鏡多通道太陽望遠(yuǎn)鏡主鏡我國獨(dú)創(chuàng)的，能同時(shí)測量太陽不同層次、不同尺度的視頻矢量磁場、我國獨(dú)創(chuàng)的，能同時(shí)測量太陽不同層次、不同尺度的視頻矢量磁場、速度場、譜線輪廓和速度場、譜線輪廓和stokesstokes參數(shù)輪廓的高靈敏度綜合望遠(yuǎn)鏡。參數(shù)輪廓的高靈敏度綜合望遠(yuǎn)鏡。主要觀測設(shè)備（主要觀測設(shè)備（3） 一米紅外太陽塔（云南撫仙湖）：一米紅外太陽塔（云南撫仙湖）：光球高分辨

5、率成像（光球高分辨率成像（tiotio，g g band)band)。已具備常規(guī)。已具備常規(guī)觀測能力觀測能力。高分辨率色球像（高分辨率色球像（6563)6563)，3 3個(gè)月內(nèi)具備常規(guī)觀測個(gè)月內(nèi)具備常規(guī)觀測能力。能力。多波段光譜儀（多波段光譜儀（65636563，85428542，1083010830），約半年），約半年后具備狹縫掃描功能。后具備狹縫掃描功能。矢量磁場測量，偏振分析器研制中。矢量磁場測量，偏振分析器研制中。主要觀測設(shè)備（主要觀測設(shè)備（4）新一代厘米新一代厘米-分米波射電日像儀分米波射電日像儀低頻陣（40面4.5米天線）頻率范圍：400-2000mhz時(shí)間分辨率：最好25ms頻率

6、分辨率：64通道，25mhz空間分辨率：10-51角秒高頻陣（60面2米天線）頻率范圍：2-15ghz時(shí)間分辨率：最好25ms頻率分辨率：128通道空間分辨率：1.4-10角秒最長基線：3000米觀測時(shí)長：6小時(shí)圓偏振觀測動(dòng)態(tài)范圍：25db主要觀測設(shè)備主要觀測設(shè)備 光球：光球：矢量磁場矢量磁場、速度場、單色像、速度場、單色像色球：縱向磁場、速度場、單色像（色球：縱向磁場、速度場、單色像（halphahalpha）日冕：射電頻譜、像日冕：射電頻譜、像光球光球是是( (可直接觀測的可直接觀測的) )日地聯(lián)系的源頭日地聯(lián)系的源頭磁場磁場是太陽活動(dòng)的控制因素是太陽活動(dòng)的控制因素磁場測量基本原理磁場測量

7、基本原理 we use zeeman effect to measure the magnetic field on the solar photosphere.we measure polarized light to derive vector magnetic field: circular polarization (stokes v) for longitude field (bz) and linear polarization (stokes q and u) for transverse field (bx and by).there are two types of vect

8、or magnetographs:spectrograph: measure the full spectrum of a line; use inversion code to derive vector b (advantage: accurate)filter-magnetograph: measure at a fixed wavelength; use calibration method based on linear assumption (advantage: better temporal-resolution)懷柔磁像儀懷柔磁像儀site: island in huairo

9、u lake seeing: 1 - 2 arcsec since 1986 35cm in diameter fei 5324.19 line lande factor g=1.5 stokes v: -0.075 from line center stokes q and u: line center no optical system changetypical observation and physical quantities studiedshear anglecurrent (jz)twist ( z)twist ( best)current helicity (hc)curr

10、ent helicity imbalanceall these quantities indicate the non-potentiality (helicity) of the measured field.a new solar full disk vector magnetograph at huairoustokes vstokes qstokes u10cm in diameter fei 5324.19 line research interestsmeasure non-potentiality:shear anglecurrent (jz)twist ( z)twist (

11、best)current helicity (hc)current helicityimbalance vector magnetic field on the photosphereextrapolation of coronal magnetic fieldfor example:variation associated with flares and cmesflux emergence processhelicity produced by solar dynamo derived coronal structuresderived field lines show consisten

12、ce with h image.(wang hn et al., 2001, solar physics, 201, 323)using huairou vector magnetogram and a reconstruction method proposed by yan & sakurai (1997)variation associated with flares and cmesa case where a new flux system of negative helicity emerges into an active region (noaa 8210) with posi

13、tive overall helicity ( best=0.010 arcsec-1) suggests that the emergence of opposite helicity might be the trigger of the cme. (wang jx et al., 2004, apj, 615, 1021)efrhelicity produced by dynamo(bao & zhang h., 1998, apj, 496, l43)current helicity imbalancetwist(pevtsov et al., 1995, apj, 440, l109

14、) statistically, in the northern hemisphere: z, best,hc, h02021-10-2316磁螺度積累與日冕物質(zhì)拋射磁螺度積累與日冕物質(zhì)拋射1、磁螺度在日冕中是積累的；磁螺度的積累自然導(dǎo)、磁螺度在日冕中是積累的；磁螺度的積累自然導(dǎo)致磁場自由能的儲(chǔ)存，提供致磁場自由能的儲(chǔ)存，提供cme爆發(fā)所需能量爆發(fā)所需能量 - 定量測量螺度在日冕中的積累過程定量測量螺度在日冕中的積累過程懷柔太陽磁場望遠(yuǎn)鏡懷柔太陽磁場望遠(yuǎn)鏡 (1986 現(xiàn)在現(xiàn)在)：測量局：測量局部區(qū)的光球和色球矢量磁場部區(qū)的光球和色球矢量磁場全日面光學(xué)與磁場監(jiān)測系統(tǒng)（全日面光學(xué)與磁場監(jiān)測系統(tǒng)（

15、2006-）：測量）：測量全日面光球矢量磁場全日面光球矢量磁場（hmi） 螺度傳輸螺度傳輸 無力場外推無力場外推2021-10-2317磁螺度積累與日冕物質(zhì)拋射磁螺度積累與日冕物質(zhì)拋射2、當(dāng)磁螺度的積累超過一定限度時(shí)，將不存在無力場平衡態(tài)，爆發(fā)、當(dāng)磁螺度的積累超過一定限度時(shí)，將不存在無力場平衡態(tài)，爆發(fā)成為一種必然成為一種必然- 估算與日冕物質(zhì)拋射有關(guān)的量值估算與日冕物質(zhì)拋射有關(guān)的量值太陽射電觀測可以幫助我們?cè)\斷太陽射電觀測可以幫助我們?cè)\斷外推磁場的可靠性。外推磁場的可靠性。（halpha、stereo、sdo）以懷柔光球矢量磁場觀測的數(shù)據(jù)作為邊條以懷柔光球矢量磁場觀測的數(shù)據(jù)作為邊條件，在無力場假設(shè)下，外推出日冕磁場，件，在無力場假設(shè)下，外推出日冕磁場，估算出無力場的磁螺度值和上限值。估算出無力場的磁螺度值和上限值。(yan et al., 2001, apj, 551, l115)2021-