太阳喷射等离子体高清图（利用太阳正面多普勒影像观测重构背面磁图）

作者：王晶晶

中国科学院国家空间科学中心

中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室

太阳是日地空间环境扰动的源头。这里先介绍一下太阳的结构，如图1所示，从外向内分别是日冕层（corona）、色球层（Chromosphere）、光球层（Photosphere）、对流层（Convection zone）、辐射层（Radiative zone）和核心（Core）。这可不是科学家们凭空想象的，而是基于观测通过分析得到的结果。

图1太阳结构示意图（引自WikipediaCommons/kelvinsong）

以美国NASA的太阳动力学观测台（SDO）卫星为例，如图2所示（从左上至右下），当前对太阳的观测主要是对太阳大气（光球层、色球层、日冕层）的观测——多普勒影像观测（Dopplergram）、光球磁场观测（Magnetogram）、光球连续谱观测（Continuum）、三个选定谱线（1700Å、4500Å、1600Å）观测，以及七个选定极紫外波段（304Å、171Å、193Å、211Å、335Å、94Å、131Å）的观测。

图2对太阳的观测（引自NASA）

其中一项重要的观测——多普勒影像观测，就是利用光的多普勒效应，通过测量选定谱线的多普勒频移，可以进一步分析得到太阳光球层的振荡方向、速度等，对日震学的研究至关重要。如图3所示，利用SDO卫星日球层磁场成像仪HMI获得的多普勒影像观测，以地球为观测点观察自转的太阳，其中红色区域是背离我们（地球）运动，而蓝色区域是朝向我们运动，可以非常明显的看出太阳自西向东的自转特性。除了太阳的自转之外，从多普勒影像观测中，我们还会看到光球层存在很多振荡。这是什么原因呢？跟地震一样吗？

图3太阳的多普勒影像观测（引自NASA）

首先，日震学并不是指太阳上的“地震”。太阳内部有很多种振荡，“地震”只是其中一个来源。多普勒影像观测中比较明显的，就是太阳内部的振荡，而这种振荡的成因、来源又非常的复杂。

太阳的振荡模有很多种，比如在太阳表面有数百公里振幅的声波（p模）、受到重力作用且局限在太阳对流层的低频密度波（g模）、以及受到表面重力作用且局限在光球附近区域的重力波（f模）。图4中就列出了两种振荡模——p模（p-modes）和g模（g-modes）存在的区域。其中，p模声波在传播过程中向水平方向偏折，在太阳内部和光球层之间不断地反射。正常情况下，p模声波从太阳的正面传往背面、再传回正面约耗时6小时，假设有一个太阳活动区出现在太阳的背面，p模声波的传播耗时会缩短，提前十几秒，也就是说，传播的路径上存在太阳活动区与否，影响了p模声波的传播时间。这是由于太阳的磁场会影响太阳表面的物质结构，比如高度、密度等等。

图4太阳结构和两种振荡模（引自ESA）

Zhao等[2019] 发表在ApJ的一篇文章就介绍了利用太阳正面的多普勒影像观测来重构太阳背面磁图的最新成果。如图5左图所示，两种不同波长的p模，从太阳正面1a和1b出发，经过一步（single skip annulus）传播至太阳背面的测量点（target），再经过三步（tripleskip annulus）由太阳背面传播至正面到达2a和2b；p模也可以由2a和2b出发，反向传播至1a和1b；那么在如右图所示的太阳正面多普勒影像观测中，p模的连接点 1a、2a、1b和2b就会呈现出如图示的位置分布，从这些连接点组成的四条线上，就可以进一步研究太阳背面观测点——这些p模声波共同经过的太阳背面的测量点（target）的特征了。而太阳正面的多普勒影像观测，是非常大数量的振荡重叠作用的效果，需要利用复杂的傅里叶分析才能反演成独立的模式，在这里就不赘述这个过程了。

图5p模声波路经太阳背面观测点的示意图（引自[1]）

图6(b)就是他们成功重构的太阳背面磁图，其中活动区的磁场区域（黑色区域）与图6(d)中由NASA研制的日地关系观测台（STEREO卫星）304 Å波段对太阳背面活动区的实际观测图像对应的很好；图6(a)是同一时间SDO卫星对太阳正面磁场的直接观测，与图6(c)中SDO卫星304 Å波段的直接观测相对应。经过对较长时间的数据验证，他们发现利用日震技术重构大活动区的成功率非常高。

图6Zhao等利用日震重构的太阳背面磁场（引自[1]）

也就是说，当有太阳正面的高分辨率多普勒影像观测时，科学家们就可以实时的监测太阳背面活动区的浮现或消失，这些信息对于空间天气的研究和预报非常重要。随着STEREO卫星在未来数年间逐渐的靠近地球，我们再次失去了对太阳背面的直接观测，这项利用太阳正面的多普勒影像观测来重构太阳背面磁场的技术，很大程度的解决了未来数年我们的燃眉之急。

这里需要提及的是，利用日震技术重构太阳背面磁场的技术仍面临一些问题，比如重建的磁图的分辨率太低、对一些较小的活动区并不敏感等等。我们衷心希望未来的深空探测计划，能够再次实现全日面的瞬时观测、甚至是磁场观测，这将有力的推动空间科学的发展、提升空间天气的预报能力。

参考文献：

[1] Zhao, J., Hing, D., Chen, R., et al. 2019, The Astrophysical Journal, 887, 216,DOI: 10.3847/1538-4357/ab5951.

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