太陽黑子本影振蕩的周期測量*

楊汝娟，梁紅飛

(云南師范大學物理與電子信息學院，云南 昆明 650092)

太陽黑子是存在于太陽表面的一種溫度相對較低、亮度相對較暗的強磁場結構，它不僅是日面活動區的主體，還是活動區最明顯的標志［1］。人們通過對太陽黑子的長期觀測和研究發現在太陽黑子內經常會出現一種隨時間周期變化的振蕩現象，這種現象可通過光球和色球譜線的強度和速度變化確認。最早的太陽黑子本影振蕩現象是由文［2］作者在1969年利用Ca II譜線發現的，隨后，文［3］作者揭示了太陽光球層中也存在本影振蕩，而文［4］和文［5］作者則相繼驗證了色球中的本影振蕩。此外，文［6］和文［7］作者相繼獨立地發現了存在于黑子半影內的半影行波。不同的是，文［6］是通過Hα的線心觀測確定在黑子半影中存在周期為300 s、速度為10 km/s的強度波，而文［7］則是通過研究Hα波段的多普勒圖像發現半影行波的。

長期研究表明，在太陽黑子內存在著兩種典型的振蕩:3 min振蕩和5 min振蕩。3 min振蕩的周期在100～200 s之間，在3 min附近存在一個明顯的峰值，色球譜線觀測的結果顯示3 min振蕩在色球層中有比較大的振幅，而光球譜線則很難觀測這種振蕩，即使被觀測到，其振幅也很小［8－9］。與3 min振蕩不同的是，5 min振蕩的周期在200～400 s之間，在5 min附近存在一個顯著的峰值，這種振蕩在光球內的振幅比較大，而在色球層內的振幅則很小，幾乎很難被觀測到［8－9］。文［10－11］認為3 min振蕩的產生機制是黑子本身的一種共振模式，在黑子本影內存在兩個共振腔:一個位于光球和亞光球中，對應于快模波;另一個則位于較高的色球層內，對應于慢模波。5 min振蕩的實質是由對流激發的P模振蕩。研究表明，標準的本影振蕩在本影內較為突出，離開本影區就會變得很弱。行波在半影和超半影內通常以約為13 km/s(頻率為3 MHz)的常速度傳播，在半影、超半影的邊界處振蕩，頻率為2 MHz或更低［12］。Christopoulou認為本影振蕩和半影行波之間并沒有一個清晰的關系，假如半影行波是由本影振蕩或者和本影振蕩相同的原理產生的，那么就必須有一種機制來解釋不同周期的振蕩行為。

經過數年的觀測，2006年9月發射的太空太陽望遠鏡HINODE(Solar-B)已經采集了大量的高分辨率觀測資料。該望遠鏡在工作過程中能夠對被觀測對象進行連續、快速的觀測，時間分辨率達到每10 s采集一幅圖像，空間分辨率達0.1″/pixel。這些高質量的觀測數據為更深入研究太陽活動區內的動力學過程提供了極其便利的條件。本文基于HINODE觀測的數據，采用快速傅里葉變換(FFT)方法精確測量太陽黑子本影振蕩的周期。

1 觀測數據及數據預處理

2007年5月1日衛星HINDOE上的太陽光學望遠鏡SOT在CaⅡ(396.85 nm)波段對活動區AR10953內的孤立黑子進行了連續觀測，采集了250幅具有穩定時間間隔的單色圖像，這些圖像的分辨率極高，達到9.6秒/幀。該黑子位于日面中心附近，精確的位置是S10，E09。在邊長為1024像素的正方形CCD成像區域內，總的視場對應邊長為111.6″的區域，即對應于太陽表面邊長為8×104km的正方形區域。因此，圖像的空間分辨率也極高，達到了0.109″/pixel，也就是說，每個像素對應于太陽表面邊長為80 km的正方形區域。如圖1，選取邊長為400 pixel的區間進行研究，從圖中可以看出，位于黑色輪廓線內的本影被兩個亮橋分成了3部分，第1部分位于圖中右下方的本影主體部分，在該區域內約有十個產生行波的振蕩源，選定其中具有代表性的兩個樣本點A和B測定振蕩周期。另外兩個小本影塊分別位于主本影的左下方和正上方，在這兩個小本影塊內分別選取它們內部各自唯一的振蕩源C和D作為分析振蕩周期的樣本。連續采集的觀測圖像顯示活動區在整個演化過程中，產生于3個本影部分的行波在傳播時無法越過本影內的亮橋而傳播到相鄰的本影區塊，因此兩個小本影塊的強度周期變化應該完全由它們內部的振蕩源引起。相對于太陽黑子不同區域的亮度差異(黑子本影和半影的亮度差非常大)，黑子振蕩引起活動區的亮度變化非常小。為了能夠清晰地顯現出本影振蕩的演化過程，利用相減像技術對觀測數據進行處理，也就是把在時間序列上相鄰的兩幅圖像相應的位置強度進行相減運算，從而得出活動區圖像強度隨時間的變化特征。圖2給出的6幅相鄰的相減圖像展示了由黑子本影內的波源A點產生的一列行波的完整傳播過程。在00∶23∶16UT時，出現在波源點A處的亮斑意味著一個行波從該波源處形成，隨后這個行波不斷地向外擴大，于00∶23∶54UT時形成了一個清晰的環狀結構，此后該環形的行波不斷向外擴張，在擴張過程中該行波的輪廓變得越來越模糊，經過約90 s后，該環形波最終消失了。整個演化過程清晰地顯示出該本影行波是以波源A點為中心的一個弧形亮帶不斷向外擴張的過程，為了精確地測定這些行波引起的本影振蕩的周期，采用快速傅里葉變換(FFT)方法對數據進行詳細的分析。

圖1 NOAA10593內的黑子本影結構，十字形“+”標出樣本點的位置Fig.1 Sketch of the sunspot umbra within the NOAA10593.Sample points are denoted by crosses“+”

圖2 相減圖像顯示的本影振蕩演化圖像Fig.2 Evolution of the umbral oscillation shown in the running difference images

2 太陽黑子振蕩的周期測量

圖3 振蕩源A點的強度變化曲線(實線)和主要周期變化的曲線(虛線)對比圖Fig.3 Intensity variation of the sample point A(solid line)and the intensity variation of the main-period Fourier component(dotted line)

圖4 振蕩源A點的功率譜曲線Fig.4 Power spectrum of the variation at the sample point A

表1 4個振蕩源的周期值Table 1 The periods of four oscillation sources

圖5 振蕩源C點的強度隨時間的變化曲線Fig.5 Intensity variation of the sample point C(solid line)and the intensity variation of the main-period Fourier component(dotted line)

圖6 振蕩源C點的功率譜曲線Fig.6 Power spectrum of the sample variation at the point C

3 討論和結論

振蕩周期是太陽本影振蕩的一個基本參數，精確地測定本影振蕩的周期對理解太陽振蕩的物理本質和它的傳播特征均有比較重要的意義。針對空間太陽望遠鏡在2007年5月1日觀測的高分辨率數據開展了細致的分析工作，結果發現位于活動區AR10953內的太陽黑子本影內存在比較穩定的振蕩現象。該黑子的本影被兩條亮橋分割成3部分，其中位于中間的主本影內存在約十個產生行波的振蕩源，而位于正上方和左下方的小本影內則分別只存在一個產生行波的振蕩源。由于亮橋的阻隔，產生于不同本影部分的行波不能穿越亮橋進入其他本影區。因此，在主本影內選擇了兩個具有代表性的樣本點測量該區域內的振蕩周期，而在其它兩個小本影內分別選取一個樣本點測量黑子本影的振蕩周期。結果發現，位于主本影內的樣本點的振蕩周期均為141.2 s，而位于小本影內的樣本點，測量到的周期相對要長一些，分別為160 s和171.5 s。這種周期長短的差異可能主要由于樣本點是否受多個振蕩源作用所產生造成的。由于小本影內的光強變化只由其內部的唯一振蕩源產生，因此它們的周期應該就是該振蕩源的振蕩周期，而在主本影內，由于存在多個振蕩源，這些振蕩源都會產生行波，當比較強的行波傳播到其他振蕩源的位置時，增加了后者的波峰數，結果也就增加了后者的振蕩頻率，相應地，后者的振蕩周期就縮短了。綜合4個振蕩源的測量周期得到了它們的平均值為154 s，這個測量結果可以看成是本影的振蕩周期，顯然，這個結果顯示在Ca II波段觀測的本影振蕩是一種典型的3 min振蕩。

從前面的分析可以看出，本影內光強周期性的變化主要由本影振蕩引起的，這為比較準確地測定太陽振蕩的周期提供了便利條件，但是在測量過程中還得注意排除其他因素的影響。這些因素主要有活動區內的小尺度短時標磁活動引起的增亮現象，這些增亮過程可能會使光強輪廓線在某些時段內整體向上或是向下飄移，結果可能造成在功率譜曲線上產生一個低頻的峰值，這種低頻噪聲很容易在數據處理過程中被直接排除。另外，在測量過程中也會不可避免地產生一些測量誤差，這些誤差可以分為兩部分:系統誤差和隨機誤差。系統誤差是由測量過程中數據采集系統的采光響應函數的偏移以及在數據采集中引入一些必要的簡化造成的。系統誤差可以通過平場和暗場等處理進行部分的消除，而那些經過處理后殘存的系統誤差余量由于是被測光強的連續函數，會隨被測光強的變化作有規律的變化，因而對測量本影振蕩周期的影響比較小。而且由于Hinode觀測的精度非常高，因此，可以忽略系統誤差對振蕩周期測量的影響。隨機誤差是由探測器電噪聲、大氣湍動等隨機產生的附加光強，它對測量光強會帶來一些不可預測的影響。但是從圖3和圖5的光強輪廓線(實線)可以看出，Hinode觀測的振蕩引起的光強遠比隨機誤差造成的光強變化要大得多，因此隨機誤差對測量振蕩周期也不會造成實質的影響。綜上所述，文中的測量結果應該比較真實地反應了太陽振蕩的振蕩周期。

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