基于双视角白光成像相关分析重构太阳风扰动结构

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日球层白光成像观测具有视场大,时空分辨率较高的优点。从中可以揭示出各种密度扰动结构在太阳风中的传播和演化历程,其中包括以日冕物质抛射(CME)为代表的大尺度扰动结构和以泡状结构为代表的小尺度扰动结构。太阳风白光成像观测数据的相关分析对探究太阳风起源和演化机制,推动空间天气预报发展都有重要的意义。现有的基于太阳风的白光成像观测的各种分析方法在对太阳风扰动结构的定位定速时各自存在一定的缺陷。故本文中,我们开发新的一系列相关分析方法,基于日地关系天文台(STEREO)的双卫星搭载的日球层成像仪1号(HI1)对同一太阳风扰动结构的双视角白光成像观测数据,重构太阳风扰动结构在内日球层三维空间中的传播过程。我们首先对日地连线附近的太阳风扰动结构重构,然后推广到对双视角共同视场范围内的三维空间中全部太阳风扰动结构的重构。基于三维重构结果,我们对成像图上重构出的扰动结构做定位定速。利用一个太阳自转周内小尺度扰动结构的定位定速结果,我们实现了对其所在的太阳风低速流速度场做三维全景重构。1.日地连线上太阳风扰动结构的一维重构我们在双视角共同视场范围内设定一条端点在日心的射线,称其为基线,然后将双视角成像沿各自视线方向投影到基线所在子午面上。位于基线上的扰动结构对应的投影图像局部特征相似,反之则因存在错位而不相似。故根据基线上两个投影图像局部特征的相关分析,即可得到相关系数(cc)在基线上的分布,其值越高代表越可能存在扰动结构。我们用这样一维重构的方法,以日地连线为基线,分析2010年1月至2011年2月的HI1数据。结果发现日地连线上的太阳风扰动结构在长周期尺度上受共线效应和汤姆孙散射效应影响存在一个次级峰值区。我们同时发现其中的小尺度扰动结构出现频率至少是大尺度结构的2倍,且存在27天的周期性,在时空上和源于冕流区随太阳自转扫过日地连线的低速太阳风观测高度吻合。这体现出小尺度扰动结构和冕流以及太阳风低速流的强关联性,也反映出我们方法的可靠性。2.太阳风扰动结构的三维重构同一时刻,我们利用经纬度不同的多根在角空间中均匀分布的基线,获取其上一维cc分布,整合成日心距-经度-纬度三维空间里的cc分布,实现对太阳风扰动结构在双视角共同视场范围内的三维重构。这样的三维重构技术被称为相关辅助重构法(CORAR)。经过对合成STEREO/HI1图像的测试,我们发现在双卫星夹角140度时,CORAR方法可以对日心距60个太阳半径内太阳风小尺度扰动结构做精准的识别和定位。为体现此方法的能力,我们重构了 2010年4月3日至4日的一个日冕物质抛射和三个小尺度泡状结构,并展示了其三维形态和传播方向。我们的重构结果和其他正演方法结果的比较,体现出我们三维重构对扰动结构空间位置、角宽度和传播方向还原的可靠性。重构结果还揭示出此日冕物质抛射大致沿南北走向且在角空间上存在一定扭曲,体现出日冕物质抛射在背景太阳风中传播时三维结构的复杂性。3.太阳风扰动结构的定位和定速根据太阳风扰动结构的三维重构结果,我们利用视线方向上cc最大值位置作为对应扰动结构最可能的位置(pp),在二维白光图像上生成三维pp图。然后根据前后帧扰动结构局部投影图案的互相关分析,最终得到扰动结构在二维白光图像上的径向速度图。这样的方法被称为最大相关追踪法(MCT)。我们用MCT方法分析2010年4月3日至4日的同一组事件,最终不管是大尺度日冕物质抛射,还是小尺度泡状结构,其定位定速结果和正演方法分析结果、模拟结果以及地球处的局地观测匹配得很好。根据对抛射体前后沿的定位,我们重构出了日冕物质抛射磁绳的三维形态。利用对抛射体的定位和定速,我们分析了其径向膨胀的自相似性。在日心距25到55太阳半径之间,其无量纲的径向膨胀系数在中部和北部维持在0.7-1.0的范围内,而在南部则为0.3-0.5,明确揭示出背景太阳风对日冕物质抛射的扭曲和形变作用。4.内日球层太阳风低速流速度场三维全景重构我们综合一个太阳自转周内对太阳风小尺度扰动结构的全部定位定速的三维pp图和径向速度图,在与太阳共转的卡林顿坐标系下得到小尺度扰动结构所在的太阳风低速流的速度场在20到60个太阳半径间的三维空间分布。我们用此方法得到2010年4月1日至28日的太阳风低速流速度场三维全景重构结果。其结果内推后和日冕仪成像观测特征及势场外推得到的日冕磁场特征相互匹配,证实了此方法的可靠性。我们进一步用此方法处理2009年3月9日至2010年12月24日共24个卡林顿周的HI1图像。其中我们统计分析了太阳风扰动结构定位定速结果时间和空间分布特征,发现了部分小尺度扰动结构的产生与其前方大尺度扰动结构的关联性。最终得到的24个卡林顿周的太阳风低速流的速度值集中于300±50km/s。其在空间上则主要出现在行星际电流片附近纬向厚度约40度的等离子体层中。我们的结果与行星际闪烁观测结果及模式结果各有异同,这意味着它对行星际太阳风模式的改进有重要的参考价值。我们构建的这一套基于双视角白光成像观测相关分析的太阳风扰动结构定位定速方法优点在于具有很高的自动化程度、鲁棒性、准确性和精细度,在当前和未来的多视角太阳风成像观测计划中有广阔的应用前景。
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