[论文解读] Polarization of the Corona Observed During the 2017 and 2019 Total Solar Eclipses

Yoichiro Hanaoka, Yoshiaki Sakai+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2021

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 40被引用 9

一句话总结

本研究利用配备滤镜轮的多站点DSLR仪器，在2017年和2019年日全食期间获得了太阳日冕的高动态范围偏振观测数据。研究测定了K-日冕和F-日冕在4个太阳半径以内的亮度、偏振亮度及偏振度，发现其与LASCO C2日冕仪数据存在系统性偏差，尤其在偏振度方面（约为0.68倍），凸显了不同观测方法之间校准一致性的重要性。

ABSTRACT

We carried out polarimetric observations of the white-light corona during the total solar eclipses that occurred on 2017 August 21 and 2019 July 2, and successfully obtained data at two different sites for both eclipses. After eliminating the sky background, we derived the brightness, polarization brightness, and degree of the polarization of the K+F corona from just above the limb to approximately 4 $R_\odot$. Furthermore, we isolated the K- and F-corona with plausible degree of polarization of the K-corona. The field of view covering up to approximately 4 $R_\odot$ enabled us to compare the derived brightness and polarization with a wide range of other observations. The results of the comparison show significant scatter; while some of the observations present very good coincidence with our results, the other ones exhibit systematic discrepancy.

研究动机与目标

• 在日全食期间获取太阳白光日冕的高动态范围、多站点偏振观测数据。
• 利用K-日冕的切向偏振特性和F-日冕的可忽略偏振特性，通过偏振数据分离K-日冕与F-日冕组分。
• 将日食观测得到的亮度与偏振度与空间基日冕仪数据（如LASCO C2）以及地面基K-Cor数据进行比较，评估一致性并识别系统性偏差。
• 验证日食观测作为不同仪器与方法之间日冕亮度与偏振度校准参考的可靠性。
• 展示利用低成本DSLR仪器开展业余-专业合作项目在高精度太阳日冕偏振测量中的可行性与科学价值。

提出的方法

• 采用相同的DSLR相机（Nikon D810a、Canon EOS 6D）、Takahashi FS-60Q望远镜及滤镜轮，开展多站点偏振观测，实现偏振调制。
• 通过依次拍摄0°、45°、90°、135°正交与对角偏振态的图像，测量线性偏振度，进而计算斯托克斯参数与偏振度。
• 利用正交偏振态图像的平均值扣除天空背景，并通过相同仪器拍摄的太阳圆面图像对亮度进行校准。
• 基于F-日冕可忽略偏振的假设，利用K-日冕的切向偏振特性，实现其组分的分离。
• 同步获取多色（RGB）图像，实现基于光谱特性的K-日冕、F-日冕与天空背景的区分，提升组分分离精度。
• 将每场日食的两处站点数据合并，确保结果一致性并减少观测偏差，结果通过档案日食与日冕仪数据进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 2017年与2019年日食期间测得的K-日冕偏振度与亮度，与空间基日冕仪（如LASCO C2）的数据相比如何？
• RQ2 视场宽广（达4 R⊙）的日食观测在多大程度上弥合了地面与空间基仪器在日冕内区与外区观测之间的差距？
• RQ3 日食观测得到的偏振度与亮度与LASCO C2数据之间的系统性偏差程度如何？这对校准一致性有何启示？
• RQ4 利用低成本DSLR仪器开展的业余-专业合作观测项目，能否产生科学可靠且可重复的太阳日冕偏振数据？
• RQ5 考虑到近期有研究提出F-日冕可能存在偏振，假设其完全无偏振对K-与F-日冕组分分离的影响有多大？

主要发现

• 2017年与2019年日食观测得到的K+F日冕偏振度与LASCO C2数据相比，系统性地偏低约0.68倍，表明日冕仪测量存在一致性的低估。
• 日食观测得到的K+F日冕亮度与仅K-日冕亮度（BK+F与BK）在日冕外区（>~2 R⊙）与LASCO C2数据一致，但在内日冕区域，偏振度与K-日冕亮度出现系统性偏差。
• 日食观测得到的K-日冕亮度与偏振度与1998年与1999年日食数据一致，但与2006年日食数据不同，后者在LASCO C2偏振度上也表现出类似低估趋势。
• 采用相同仪器的多站点观测显著提升了结果的可靠性，验证了独立数据集之间的一致性，降低了观测不确定性。
• DSLR相机的同步RGB成像能力显著提升了基于光谱与偏振特性区分K-日冕、F-日冕与天空背景组分的精度。
• 本研究证实，日全食仍是白光日冕观测的关键校准参考，因其具有低天空背景与宽视场，尤其在弥合内日冕与外日冕测量方面具有不可替代的作用。