活动区磁螺度与耀斑期间磁场变化的观测研究

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磁场在太阳物理研究中占有重要地位。围绕太阳磁场所进行的理论和观测研究内容丰富,从时间尺度上,小至磁场瞬时浮现、对消,短时太阳爆发(耀斑、暗条爆发、CME等),大到磁场随太阳活动周的演化等;从空间上,由太阳内部磁场发电机理论,到光球层磁场浮现演化,日冕磁场外推,以及行星际磁场的研究等。本论文主要对光球活动区磁场的磁螺度演化以及耀斑事件中磁场的变化展开了相关研究。  论文的主要内容及研究成果归纳如下:  1.磁螺度光球传输量计算是磁螺度研究的重要内容。在SDO发射升空以前,以往的研究一般采用MDI视向磁场数据来计算磁螺度在光球上的传输量。这些计算基于一个重要假设,即活动区磁场是径向的。然而事实上,该假设并不严格成立。因此,对该假设在光球磁螺度传输量计算中所造成的影响给出一个定量的评估十分必要。通过对三个活动区NOAA11072、11084、11158的研究,我们发现:该假设对于速度场计算的影响很小,即使活动区的观测位置已经靠近日面边缘,其与真实的速度场仍然非常符合;对于磁螺度传输率的计算,当活动区靠近日面中心时影响很小,而当观测位置远离日面中心时影响逐渐变大,不仅值的大小会有很大差别,连符号也可能会相反;但是该影响对于磁螺度积累量的计算并不十分显著,如果我们的观测区间不是太靠近日面边缘的话。  2.以往的研究发现,在一些大的耀斑事件中,活动区磁场在中性线附近会发生持久性、不可逆的改变;其后又发现,磁场变化的区域往往对应于黑子结构(亮度)变化明显的地方。对于这些现象,尽管有一些相关唯像模型解释,但仍没有定论。我们研究了分别来自5个活动区的5个X级耀斑事件,证实在这些事件中的确存在磁场和黑子结构的不可逆变化;随后,我们计算了两种变化的相关系数,发现两者有高度的相关性,在我们的研究样本中,相关系数都大于0.90,平均值达到0.96。为进一步理解这种高相关性,我们利用观测的和模拟的宁静时刻的活动区数据,研究了四个活动区黑子半影区域亮度与磁场强度的关系,发现除了已知的黑子亮度与径向场强度的线形关系外,黑子亮度与横场强度也有非常好的线性关系。我们的研究表明,耀斑事件中的黑子结构变化与磁场变化高度相关,说明它们是同一个现象的两个方面。我们更进一步指出,耀斑爆发过程中看到的黑子结构变化,实际可能是由磁场变化引发的,源于黑子亮度与磁场强度之间的高度线性相关性。  3.鉴于上一个工作中使用的矢量磁场数据的时间分辩率(12分钟)不高,我们进一步使用了HMI的45秒高时间分辨率的全日面视向磁场数据,研究了6个活动区的几个大于M9.0级耀斑事件中黑子结构和视向场的高时间分辨率变化。研究结果不仅进一步证实了磁场和亮度变化在空间和时间上的高关联性,而且显示其中两个活动区(NOAA11283和11890)磁场在耀斑峰值时刻附近同时存在瞬变现象。对这两个活动区的磁场瞬变现象的详细研究显示,这些磁场瞬变持续时间3~5分钟,不仅发生在黑子本影区域且表现为磁场发生变号,而且存在于中性线附近且瞬变磁场并没有发生反号。  本文的研究结果,一方面对于准确的计算光球磁螺度传输具有指导意义,另一方面帮助人们更深入地理解耀斑期间活动区磁场及黑子结构的演化及其内在的物理关系。这些研究对于磁螺度在太阳物理研究和预报中的应用,以及耀斑期间各种变化的物理本质的理解,都有重要的参考价值和促进作用。
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