抚仙湖观测站对太阳黑子的观测*
张文佳, 周新平, 梁红飞, 李秋幻 (云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明 650500)
【摘 要】振荡和波动是出现在太阳黑子内的一种普遍现象，精确测定它的周期对于理解太阳黑子演化有着重要意义.2013年03月13日抚仙湖太阳观测站(Fuxian Solar Observatory,FSO)的一米新真空红外太阳望远镜(The 1m New Vacuum Solar Telescope，NVST)利用谱线Hα(6 562.80 ?)对太阳活动区AR 11692进行了连续的观测,获得了一系列具有高时间分辨率的太阳活动区演化图.利用快速傅里叶变换法，分析了活动区内不同样本点的亮度强度随时间变化规律，测定了这些样本点的振荡周期.结果显示：本影内的振荡周期为165 s,而在半影区域内周期为283 s，两者近似为倍数关系. 【期刊名称】云南师范大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2017(037)003 【总页数】4
【关键词】太阳黑子； 本影振荡；半影行波；周期 【文献来源】
https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-cn_journal-yunnan-normal-
university-natural-sciences-edition_thesis/0201248111973.html
用附加强减光滤光片的望远镜进行目视，或在用白光拍摄的太阳光球照片中，都可以看到太阳表面经常出现一些黑斑，这些黑斑就是太阳黑子[1],在太阳的各种活动中，最为醒目也最为容易观测到的现象就是太阳黑子;而且太阳黑子附近通常会爆发一些释放大量能量的太阳耀斑，因此太阳黑子是人们最为关注的太阳活动现象之一[2-3].在黑子大气中存在各种有趣的振荡和波动现象，比较突出
的有以下几种：本影色球和光球的3 min振荡、本影光球的5 min振荡、半影行波(penumbra wave).振荡和波动对黑子的能量和力学平衡有较大的影响.另外，通过研究振荡和波动现象可以帮助我们了解黑子的结构[4].
Beckers和Tallant在1969年第一次发现了黑子内的本影振荡现象，从而揭示了太阳黑子本影闪烁[5]，激起了众多太阳物理学家对太阳黑子振荡的浓厚兴趣，三种典型的太阳黑子振荡现象3 min振荡、5 min振荡以及半影行波，相继被利用不同的方法发现.同时太阳望远镜空间和时间分辨率的提高，为太阳物理学家们开辟了广阔的研究前景，逐步深入揭示了本影振荡和半影行波的物理本质.本影的5 min振荡本质是由对流激发的P模振荡，长期的观测研究表明，黑子本影5 min振荡的功率谱主要分布在2.5～4.5 MHz频带中,周期一般在200～400 s之间.在本影色球和光球中的3 min振荡的产生机制是一种共振模式的振荡，3 min振荡的功率谱分布主要集中在5～6 MHz[5]，周期一般在100～200 s之间.
抚仙湖观测站(Fuxian Solar Observatory,FSO)坐落于云南省澄江县境内抚仙湖东北岸的老鹰地，湖面海拔1 720 m，垂直方向大气透明度较高，有很好的视宁度.每年可持续观测3 h以上的晴日数大于250 d，日照时间大于2 500 h；具有非常好的太阳观测条件.其中的一米真空红外太阳望远镜(The 1m New Vacuum Solar Telescope，NVST)是一架口径为98 cm的地平式望远镜，有效焦距为45 m，主要在0.3～2.5 μm波段上对太阳进行高分辨率成像和(偏振)光谱观测，且可以高精度的同时探测太阳光球、色球磁场及其动力学特征.
1 观测和数据处理
2013年03月13日，NVST在Hα(6 562.80 ?)波段对位于日面中心(N07,E38)
附近的活动区AR 11692内的黑子进行了连续性的观测.为了精确的研究黑子的振荡特性，选取了FSO的NVST采集的具有稳定时间间隔的高空间和时间分辨率的165张单色图像进行详细研究，这些图像的时间分辨率为12s/frame,图像的大小为1 024×1 024像素，不仅能够分辨日面的精细结构，还可以看出黑子的完整波形演化过程.而且活动区AR 11692在所选取的时间段内稳定.如图1所示，小圆表示黑子本影的外边缘，大圆表示半影的外边缘，其中白色箭头表示半影行波的传播方向.图1清晰地显示了黑子本影和半影的精细结构，通过对此活动区的连续观测发现，沿着A到B方向传播的波形最为明显,且A和B能较好地表征黑子本影和半影的振荡特征.
2 黑子振荡周期的研究
黑子是太阳表面磁场最为密集的地方，因此研究黑子对于研究磁流体动力学过程和静力学平衡有着重要的作用.同时，磁场是太阳活动的根源，研究黑子可以了解黑子和其他太阳活动的关系.黑子的振荡周期是太阳振荡中一个非常重要的物理参数，可利用快速傅里叶变换对观测数据进行处理而获得.快速傅里叶变换法是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的[6].快速傅里叶变换法操作简单，能够使信号实现时域和频域的转换，其逆运算能够实现对原始信号主频的还原，从而极大地方便了对原始信号的分析.
对于位于本影点的样本点A，为了精确地测定本影振荡的周期，采用其中质量较高的165张单色图像进行分析.同时，为了数据处理的方便，光强变化曲线是将光强变化的观测数据减去所有观测数据的平均值的结果.图2(a)给出了样本点A的振荡图像，使用快速傅里叶变换分析其振荡周期，如图2(b)所示，图中给
出了样本点A的功率谱，可以明显看到的主频位于12位置.令低于12所对应的强度值的傅里叶系数都为0，然后对其进行快速傅里叶变换的逆运算，得到了样本点A光强变化的轮廓，如图2(a)中虚线所示，图中的实线为样本点A测得的光强变换曲线，可以看到实线表示的光强变化和虚线表示的快速傅里叶逆变换拟合的周期变换在整体的变化趋势中非常接近.利用计算周期的关系式T=(Nall/pmax)×Δt计算样本点A的振荡周期.其中T为待计算的样本周期，N为采样的图片总数，Pmax为功率谱最大值对应的频率，Δt为望远镜采样的时间分辨率12s/frame，T=(165/12)×12=165(s)，这是一种典型的3 min振荡. 图3(a)给出了样本点B的光强变化曲线，为了数据处理的方便，光强变化曲线是将光强变化的观测数据减去所有观测数据的平均值的结果.与本影样本点A相似，位于半影区的样本点B从图中实线(即光强变化曲线)中可以看出光强变化曲线具有明显的周期性，还可以看出其中有7个明显的峰值.通过对光强变化曲线进行快速傅里叶变换的正变换，得到傅里叶系数，令傅里叶系数直流分量为0后对傅里叶系进行求模，得到样本点B的功率谱线，从图3(b)中可以看到在P=7时存在明显的最大值，利用公式T=(Nall/pmax)×Δt计算样本点B的周期，计算样本点B的振荡周期T=(165/7)×12=283(s).为了验证所测样本点B的周期，利用图2(b)中的主频采用傅里叶变换的逆变换后得到图2(a)中的虚线.比较图中的虚线和实线，可以看到逆变后的虚线和样本点B的轮廓实线在变化趋势上非常接近.所以测得的半影振荡周期283 s应该是非常可信的，同时也与其他人利用Hinode观测的数据测定的半影行波周期275 s非常接近[7].
3 结 论
作为存在于太阳黑子内的普遍现象，黑子本影和半影振荡及半影行波对揭示太
阳的内部结构和黑子演化过程具有非常重要的意义.多年来，太阳物理学家利用多波段的数据对太阳黑子的振荡和波动进行分析[8-11]，其中Ca II 和Hα这两个波段的谱线最为清晰.位于抚仙湖畔的FSO的NVST是目前国内研究太阳活动演化及其规律的先进仪器，它利用谱线Hα(6 562.80 ?)连续观测采集高分辨率的太阳表面活动体图像，为研究太阳活动规律以及太阳内部结构提供了便利的条件.本影周期为3 min的振荡最初激发过程位于亚光球共振腔中，色球中的振荡是由光球驱动的，其在低光球中为快模模式，在色球中的为慢模模式，两个共振腔是相互耦合的[4].本影的5 min振荡本质是由对流激发的p模振荡.应用快速傅里叶变换法，对黑子的本影区和半影区内的两个点做了分析，从前面的分析中可以发现光强周期性的变化主要由振荡引起，基于此可以精确的测定黑子不同区域的振荡周期.结果表明：图1中由A到B的传播方向上，不同区域的振动周期不同，在本影和半影边界处振荡基本处于3 min和5 min之间，而本影区内呈现周期为165 s的典型3 min振荡，半影区内则是周期为283 s的典型5 min振荡，而两个周期近似的接近于倍数关系.由于p模同磁场的作用依赖于黑子中的磁场，温度和密度的分布.进来有新的理论发现半影中的磁场是倾斜的，而不是完全水平的. 参 考 文 献：
[1] 林元章.太阳物理导论[M].北京: 科学出版社，2000.
[2] 梁红飞.1981年太阳西边缘耀斑后环物理量场的研究[D].昆明：中国科学院云南天文台，2003.
[3] 梁红飞.太阳黑子矢量磁场的测量及视向电流密度的计算[D].昆明：中国科学院云南天文台，2006.
抚仙湖观测站对太阳黑子的观测
