太阳磁场测量及其原理

1、2021-10-23基金委基金委2009年度资助创新群体实地考核会年度资助创新群体实地考核会1观测及联测需求观测及联测需求第一课题组：第一课题组：国家天文台：颜毅华（组长）、邓元勇、张枚、苏江国家天文台：颜毅华（组长）、邓元勇、张枚、苏江涛、谭宝林、谭程明涛、谭宝林、谭程明云南天文台：刘忠（副组长）、屈中权、刘煜云南天文台：刘忠（副组长）、屈中权、刘煜任务书任务书 太阳磁场的起源与演化太阳磁场的起源与演化 太阳活动区的起源与演化太阳活动区的起源与演化 太阳射电物理研究太阳射电物理研究 太阳磁场的延伸研究太阳磁场的延伸研究主要观测设备（主要观测设备（1） 中国太阳射电宽带动态频谱仪（怀柔）：中国

2、太阳射电宽带动态频谱仪（怀柔）：高时间高时间- -频率分辨率，目前国际上同类设备中有重要影响频率分辨率，目前国际上同类设备中有重要影响的先进设备。包括：的先进设备。包括： 1.10-2.06ghz1.10-2.06ghz（时间分辨率为（时间分辨率为5 5毫秒，频率分辨率为毫秒，频率分辨率为4mhz4mhz，240240个通道）个通道） 2.60-3.80ghz2.60-3.80ghz（时间分辨率为（时间分辨率为8 8毫秒，频率分辨率为毫秒，频率分辨率为10mhz10mhz，120120个通道）个通道） 5.20-7.60ghz5.20-7.60ghz（时间分辨率为（时间分辨率为5 5毫秒，频率

3、分辨率为毫秒，频率分辨率为20mhz20mhz，120120个通道）个通道） 2.84ghz2.84ghz的射电流量计，连续运行了的射电流量计，连续运行了3 3个太阳活动周。个太阳活动周。 主要观测设备（主要观测设备（2） 多通道太阳望远镜（怀柔）：多通道太阳望远镜（怀柔）：35cm35cm太阳磁场望远镜太阳磁场望远镜：光球：光球(=5324)(=5324)和色球和色球(=4861)(=4861)矢量磁场、视线速度场矢量磁场、视线速度场10cm10cm全日面矢量磁场和视线速度场望远镜全日面矢量磁场和视线速度场望远镜，附带宽，附带宽0.1a0.1a的万能双折射滤光器的万能双折射滤光器14cm14

4、cm色球望远镜色球望远镜，全日面和局部区色球，全日面和局部区色球hh单色像、色单色像、色球纵向磁场球纵向磁场8cm caii =39338cm caii =3933全日面单色像望远镜全日面单色像望远镜60cm60cm多通道太阳望远镜主镜多通道太阳望远镜主镜我国独创的，能同时测量太阳不同层次、不同尺度的视频矢量磁场、我国独创的，能同时测量太阳不同层次、不同尺度的视频矢量磁场、速度场、谱线轮廓和速度场、谱线轮廓和stokesstokes参数轮廓的高灵敏度综合望远镜。参数轮廓的高灵敏度综合望远镜。主要观测设备（主要观测设备（3） 一米红外太阳塔（云南抚仙湖）：一米红外太阳塔（云南抚仙湖）：光球高分辨

5、率成像（光球高分辨率成像（tiotio，g g band)band)。已具备常规。已具备常规观测能力观测能力。高分辨率色球像（高分辨率色球像（6563)6563)，3 3个月内具备常规观测个月内具备常规观测能力。能力。多波段光谱仪（多波段光谱仪（65636563，85428542，1083010830），约半年），约半年后具备狭缝扫描功能。后具备狭缝扫描功能。矢量磁场测量，偏振分析器研制中。矢量磁场测量，偏振分析器研制中。主要观测设备（主要观测设备（4）新一代厘米新一代厘米-分米波射电日像仪分米波射电日像仪低频阵（40面4.5米天线）频率范围：400-2000mhz时间分辨率：最好25ms频率

6、分辨率：64通道，25mhz空间分辨率：10-51角秒高频阵（60面2米天线）频率范围：2-15ghz时间分辨率：最好25ms频率分辨率：128通道空间分辨率：1.4-10角秒最长基线：3000米观测时长：6小时圆偏振观测动态范围：25db主要观测设备主要观测设备 光球：光球：矢量磁场矢量磁场、速度场、单色像、速度场、单色像色球：纵向磁场、速度场、单色像（色球：纵向磁场、速度场、单色像（halphahalpha）日冕：射电频谱、像日冕：射电频谱、像光球光球是是( (可直接观测的可直接观测的) )日地联系的源头日地联系的源头磁场磁场是太阳活动的控制因素是太阳活动的控制因素磁场测量基本原理磁场测量

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)怀柔磁像仪怀柔磁像仪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磁螺度积累与日冕物质抛射磁螺度积累与日冕物质抛射1、磁螺度在日冕中是积累的；磁螺度的积累自然导、磁螺度在日冕中是积累的；磁螺度的积累自然导致磁场自由能的储存，提供致磁场自由能的储存，提供cme爆发所需能量爆发所需能量 - 定量测量螺度在日冕中的积累过程定量测量螺度在日冕中的积累过程怀柔太阳磁场望远镜怀柔太阳磁场望远镜 (1986 现在现在)：测量局：测量局部区的光球和色球矢量磁场部区的光球和色球矢量磁场全日面光学与磁场监测系统（全日面光学与磁场监测系统（

15、2006-）：测量）：测量全日面光球矢量磁场全日面光球矢量磁场（hmi） 螺度传输螺度传输 无力场外推无力场外推2021-10-2317磁螺度积累与日冕物质抛射磁螺度积累与日冕物质抛射2、当磁螺度的积累超过一定限度时，将不存在无力场平衡态，爆发、当磁螺度的积累超过一定限度时，将不存在无力场平衡态，爆发成为一种必然成为一种必然- 估算与日冕物质抛射有关的量值估算与日冕物质抛射有关的量值太阳射电观测可以帮助我们诊断太阳射电观测可以帮助我们诊断外推磁场的可靠性。外推磁场的可靠性。（halpha、stereo、sdo）以怀柔光球矢量磁场观测的数据作为边条以怀柔光球矢量磁场观测的数据作为边条件，在无力场假设下，外推出日冕磁场，件，在无力场假设下，外推出日冕磁场，估算出无力场的磁螺度值和上限值。估算出无力场的磁螺度值和上限值。(yan et al., 2001, apj, 551, l115)2021-