[论文解读] Exploring the Physics of the Corona with Total Solar Eclipse Observations

S. R. Habbal, J. F. Cooper+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 11, 2011

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 9

一句话总结

本文倡导在2017年日全食期间开展协调的地面观测，利用可见光和近红外日冕发射线探测日冕在3个太阳半径范围内的热力学与磁场特性。通过结合高灵敏度成像、光谱学与偏振测量技术，研究揭示了局部离子密度增强现象以及从碰撞主导到无碰撞等离子体的转变，为日冕加热与太阳风加速机制提供了前所未有的洞见。

ABSTRACT

This white paper is a call for a concerted effort to support total solar eclipse observations over the next decade, in particular for the 21 August 2017 eclipse which will traverse the US continent. With the recent advances in image processing techniques and detector technology, the time is ripe to capitalize on the unique diagnostic tools available in the visible and near infrared wavelength range to explore the physics of the corona. The advantage of coronal emission lines in this wavelength range, over their extreme ultraviolet counterparts, is (1) the significant radiative component in their excitation process (in addition to the collisional excitation), which allows for observations out to a few solar radii, (2) the higher spectral selectivity available for imaging, giving well-defined temperature responses for each bandpass (one line as opposed to many), and (3) the capability of polarization measurements in a number of spectral lines. Consequently, the evolution of the thermodynamic and magnetic properties of the coronal plasma can be explored starting from the solar surface out to a few solar radii, namely the most important region of the corona where the expansion of the solar magnetic field and the acceleration of the solar wind occur. Since the planning of eclipse observations will not be possible without the invaluable NASA-published total solar eclipse bulletins by Espenak and Andersen, a call is also made to ensure continued support for these efforts.

研究动机与目标

• 利用可见光与近红外波段的日全食观测，研究日冕物理特性，突破紫外空间仪器的限制。
• 探究辐射激发对日冕发射线的作用及其在超过2个太阳半径范围内的延伸发射的含义。
• 通过多波段日食成像，绘制电子温度与铁离子电荷态的二维分布。
• 通过日冕谱线的径向强度分布，识别从碰撞主导到无碰撞等离子体状态的转变。
• 推动协调的日食观测活动，特别是2017年8月21日的日食，以最大化地面观测的科学产出。

提出的方法

• 利用多起日食的高动态范围、NRGF处理后的图像，抑制径向强度衰减，揭示微弱的日冕结构。
• 采用特定日冕发射线（如Fe XI 789.2 nm、Fe XIV 530.3 nm）的窄带成像，分离对温度与密度敏感的诊断参数。
• 测量发射线与附近连续谱之间的强度比，检测从碰撞激发到共振散射发射的转变，指示无碰撞等离子体的起始。
• 应用光谱技术，以高光谱选择性解析单个日冕谱线，实现精确的温度与密度诊断。
• 在选定谱线中开展偏振测量，推断日冕磁场的方向与强度。
• 整合日食观测与历史NASA日食公报，确保未来观测活动的最优规划与协调。

实验结果

研究问题

• RQ1 Fe XI 789.2 nm发射的径向范围是多少？其在日面边缘上方超过0.2个太阳半径处是否表明辐射激发占主导？
• RQ2 不同日冕发射线的碰撞主导向无碰撞等离子体转变发生在何处？该转变位置如何随磁场结构变化？
• RQ3 日冕谱线中的局部强度增强与内日冕中潜在的磁场与密度结构之间有何关联？
• RQ4 基于多波段日食观测，日冕电子温度与铁离子电荷态的二维分布是什么？
• RQ5 可见光与近红外谱线中的偏振测量如何实现日冕磁力测量，并绘制开放与闭合磁力线结构？

主要发现

• Fe XI 789.2 nm发射延伸至至少3个太阳半径，表明在日面边缘上方超过0.2个太阳半径处，辐射激发占主导地位。
• Fe XI的局部强度增强出现在1.2至1.5个太阳半径之间，表明铁离子Fe+10的密度相对于电子出现局部增加。
• 从碰撞主导到无碰撞等离子体的转变发生在1.1至2.0个太阳半径之间，转变半径（Rt）随谱线与磁场结构而变化。
• 首次利用日食观测生成了日冕电子温度与铁离子电荷态的二维分布图，揭示温度范围为0.8至120万K。
• 选定谱线中的偏振测量提供了目前唯一可推断日冕磁场方向与强度的方法，使开放与闭合磁力线结构的制图成为可能。
• 2017年8月21日横跨美国的日全食提供了独特且延长的观测窗口（超过1小时），可实现高时间分辨率、多波段的日冕动力学与演化观测。