日全食时的日冕光学观测

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1、2009年第54卷第13期:1841~1849《中国科学》杂志社SCIENCEINCHINAPRESSwww.scichina.comcsb.scichina.com日全食时的日冕光学观测胡中为①③,赵海斌①②,姚进生①②①中国科学院紫金山天文台,南京210008;②中国科学院国家天文台,北京100012;③南京大学天文系,南京210008E-mail:huzhwls@126.com2009-04-18收稿,2009-05-20接受国家自然科学基金(批准号:10778637)和紫金山天文台小行星基金会资助项目摘要日冕是太阳的外层大气,不仅其高速外流的

2、高温等离子体形成太阳风,而且还常发生强烈的日冕物质抛射(CME),发射很强的紫外和X射线,日冕活动严重地影响日地空间环境和太空天气以及地球,观测研究日冕的结构和活动有重要的科学意义和应用价值.日冕的光学亮度只有日轮光球的百万分之几,日全食是观测日冕的最有利时机.本文综合评述日冕的各种形态特征和结构性质、活动规律及其观测研究进展,有助于在2009年及以后的日全食时更好地拟定观测方案,以便获得有成效的科学观测资料,促进有关课题的深入研究.关键词日全食日冕形态和结构太阳活动CCD天文图像处理在中外学者和爱好者观测2008年8月1日的日全食后,21世纪最壮观

3、的一次日全食将在2009年7月22日发生在我国的长江流域,将会有更多的兴趣爱好者投入日冕的光学观测研究热潮.然而查阅有关大量文献是很烦难的,希望本评述有助于较快地开展观测.肉眼见到的日轮表面是太阳的大气底层——光球,其半径R⊙为6.955×105km,厚度约500km.光球之上是色球,厚约2000km,往上经约几百千米的过射线波段辐射,日冕活动影响日地空间环境和太空天气以及地球的磁场、通讯、电力系统等,观测研究日冕结构、性质和活动规律,不仅有重要的科学意义,而且对于航天和日地关系有重要应用价值[1~4].虽然远在公元前2800年就有日全食时看到日冕的

4、记载,但长期被误认为日冕是月球边缘或地球大气散射的太阳光,直到公元1860年后才逐渐公认日冕是太阳的外层大气.1868年,Jansen和Lockyer各自独立地在日全食时进行光谱观测而发现元素氦[3,4].随后,在日全食的日冕光谱中发现当时实验室未见的奇怪谱线,直到1941年才被Edlen解释为是高温下高次电离原子产生的禁线[3].1931年,Lyot研制出日冕仪,用人为日食方法可以在非日全食期间进行日冕的日常观测[3].与可见光不同,日冕的射电和紫外及X射线波段的辐射比光球强得多,近半个多世纪以来,很多先进的射电仪器和航天器先后投入日冕渡层而到外层

5、——延展到几倍R⊙以上的日冕.太阳大气的物质密度是向外减少的,从光球的但温度却是4×10−7g/cm3到日冕下部的10−14g/cm3,增高的,从光球的5777K到日冕的106K以上.色球和日冕对可见光是很透明的,太阳的可见光辐射主要来自于光球,色球辐射是光球的几千分之一,而日冕辐射仅约光球的百万分之几.因此,我们平时看不出色球和日冕.日全食时,月球遮住了耀眼的光球,天光暗淡,色球和日冕才显现出来.日冕不仅有外流的太阳风,还常有强烈的CME,又有很强的紫外和X观测[3],例如,射电甚大阵(VLA),太阳与太阳风层探测器(SOHO).虽然这些仪器可以经

6、常监测日冕,但日全食仍是日冕观测,尤其是光学观测的最有利引用格式:胡中为,赵海斌,姚进生.日全食时的日冕光学观测.科学通报,2009,54:1841~1849HuZW,ZhaoHB,YaoJS.Opticalobservationsofthesolarcoronaattotalsolareclipse(inChinese).ChineseSciBull(ChineseVer),2009,54:1841―1849,doi:10.1360/972009-787评述时机,每次日全食都可得到新资料和研究成果[5~21],例如,2006年3月29日的日全食就有

7、60多篇论文(SAO/NASAAstrophysicsDataSystem(ADS)).日冕的形态日冕的光学辐射包含三种成分[22]:(1)K冕,这是高温日冕的自由电子散射的光球辐射,显示有很强1的偏振特性,它是内冕(≤1.3R⊙)的主要成分;(2)E冕或L冕,这是日冕离子的发射线辐射,主要在≤1.5R⊙图22006年3月29日日全食期间的日冕形态结构[19]22幅日冕像经计算机合成处理部分,它对白光的贡献很小;(3)F冕或内黄道光,这是尘埃散射的光球辐射,基本是非偏振的,因而可以用偏振观测与K冕分离,它对外冕(≥1.5R⊙)的贡献大(图1).[23

8、~29]究.日冕的形态结构随太阳活动而变化[30].在太阳活动极大(黑子数多)期,日冕像近似圆形;在活动极小