太阳黑子本影振荡的周期测量*

杨汝娟，梁红飞

(云南师范大学物理与电子信息学院，云南 昆明 650092)

太阳黑子是存在于太阳表面的一种温度相对较低、亮度相对较暗的强磁场结构，它不仅是日面活动区的主体，还是活动区最明显的标志［1］。人们通过对太阳黑子的长期观测和研究发现在太阳黑子内经常会出现一种随时间周期变化的振荡现象，这种现象可通过光球和色球谱线的强度和速度变化确认。最早的太阳黑子本影振荡现象是由文［2］作者在1969年利用Ca II谱线发现的，随后，文［3］作者揭示了太阳光球层中也存在本影振荡，而文［4］和文［5］作者则相继验证了色球中的本影振荡。此外，文［6］和文［7］作者相继独立地发现了存在于黑子半影内的半影行波。不同的是，文［6］是通过Hα的线心观测确定在黑子半影中存在周期为300 s、速度为10 km/s的强度波，而文［7］则是通过研究Hα波段的多普勒图像发现半影行波的。

长期研究表明，在太阳黑子内存在着两种典型的振荡:3 min振荡和5 min振荡。3 min振荡的周期在100～200 s之间，在3 min附近存在一个明显的峰值，色球谱线观测的结果显示3 min振荡在色球层中有比较大的振幅，而光球谱线则很难观测这种振荡，即使被观测到，其振幅也很小［8－9］。与3 min振荡不同的是，5 min振荡的周期在200～400 s之间，在5 min附近存在一个显著的峰值，这种振荡在光球内的振幅比较大，而在色球层内的振幅则很小，几乎很难被观测到［8－9］。文［10－11］认为3 min振荡的产生机制是黑子本身的一种共振模式，在黑子本影内存在两个共振腔:一个位于光球和亚光球中，对应于快模波;另一个则位于较高的色球层内，对应于慢模波。5 min振荡的实质是由对流激发的P模振荡。研究表明，标准的本影振荡在本影内较为突出，离开本影区就会变得很弱。行波在半影和超半影内通常以约为13 km/s(频率为3 MHz)的常速度传播，在半影、超半影的边界处振荡，频率为2 MHz或更低［12］。Christopoulou认为本影振荡和半影行波之间并没有一个清晰的关系，假如半影行波是由本影振荡或者和本影振荡相同的原理产生的，那么就必须有一种机制来解释不同周期的振荡行为。

经过数年的观测，2006年9月发射的太空太阳望远镜HINODE(Solar-B)已经采集了大量的高分辨率观测资料。该望远镜在工作过程中能够对被观测对象进行连续、快速的观测，时间分辨率达到每10 s采集一幅图像，空间分辨率达0.1″/pixel。这些高质量的观测数据为更深入研究太阳活动区内的动力学过程提供了极其便利的条件。本文基于HINODE观测的数据，采用快速傅里叶变换(FFT)方法精确测量太阳黑子本影振荡的周期。

1 观测数据及数据预处理

2007年5月1日卫星HINDOE上的太阳光学望远镜SOT在CaⅡ(396.85 nm)波段对活动区AR10953内的孤立黑子进行了连续观测，采集了250幅具有稳定时间间隔的单色图像，这些图像的分辨率极高，达到9.6秒/帧。该黑子位于日面中心附近，精确的位置是S10，E09。在边长为1024像素的正方形CCD成像区域内，总的视场对应边长为111.6″的区域，即对应于太阳表面边长为8×104km的正方形区域。因此，图像的空间分辨率也极高，达到了0.109″/pixel，也就是说，每个像素对应于太阳表面边长为80 km的正方形区域。如图1，选取边长为400 pixel的区间进行研究，从图中可以看出，位于黑色轮廓线内的本影被两个亮桥分成了3部分，第1部分位于图中右下方的本影主体部分，在该区域内约有十个产生行波的振荡源，选定其中具有代表性的两个样本点A和B测定振荡周期。另外两个小本影块分别位于主本影的左下方和正上方，在这两个小本影块内分别选取它们内部各自唯一的振荡源C和D作为分析振荡周期的样本。连续采集的观测图像显示活动区在整个演化过程中，产生于3个本影部分的行波在传播时无法越过本影内的亮桥而传播到相邻的本影区块，因此两个小本影块的强度周期变化应该完全由它们内部的振荡源引起。相对于太阳黑子不同区域的亮度差异(黑子本影和半影的亮度差非常大)，黑子振荡引起活动区的亮度变化非常小。为了能够清晰地显现出本影振荡的演化过程，利用相减像技术对观测数据进行处理，也就是把在时间序列上相邻的两幅图像相应的位置强度进行相减运算，从而得出活动区图像强度随时间的变化特征。图2给出的6幅相邻的相减图像展示了由黑子本影内的波源A点产生的一列行波的完整传播过程。在00∶23∶16UT时，出现在波源点A处的亮斑意味着一个行波从该波源处形成，随后这个行波不断地向外扩大，于00∶23∶54UT时形成了一个清晰的环状结构，此后该环形的行波不断向外扩张，在扩张过程中该行波的轮廓变得越来越模糊，经过约90 s后，该环形波最终消失了。整个演化过程清晰地显示出该本影行波是以波源A点为中心的一个弧形亮带不断向外扩张的过程，为了精确地测定这些行波引起的本影振荡的周期，采用快速傅里叶变换(FFT)方法对数据进行详细的分析。

图1 NOAA10593内的黑子本影结构，十字形“+”标出样本点的位置Fig.1 Sketch of the sunspot umbra within the NOAA10593.Sample points are denoted by crosses“+”

图2 相减图像显示的本影振荡演化图像Fig.2 Evolution of the umbral oscillation shown in the running difference images

2 太阳黑子振荡的周期测量

图3 振荡源A点的强度变化曲线(实线)和主要周期变化的曲线(虚线)对比图Fig.3 Intensity variation of the sample point A(solid line)and the intensity variation of the main-period Fourier component(dotted line)

图4 振荡源A点的功率谱曲线Fig.4 Power spectrum of the variation at the sample point A

表1 4个振荡源的周期值Table 1 The periods of four oscillation sources

图5 振荡源C点的强度随时间的变化曲线Fig.5 Intensity variation of the sample point C(solid line)and the intensity variation of the main-period Fourier component(dotted line)

图6 振荡源C点的功率谱曲线Fig.6 Power spectrum of the sample variation at the point C

3 讨论和结论

振荡周期是太阳本影振荡的一个基本参数，精确地测定本影振荡的周期对理解太阳振荡的物理本质和它的传播特征均有比较重要的意义。针对空间太阳望远镜在2007年5月1日观测的高分辨率数据开展了细致的分析工作，结果发现位于活动区AR10953内的太阳黑子本影内存在比较稳定的振荡现象。该黑子的本影被两条亮桥分割成3部分，其中位于中间的主本影内存在约十个产生行波的振荡源，而位于正上方和左下方的小本影内则分别只存在一个产生行波的振荡源。由于亮桥的阻隔，产生于不同本影部分的行波不能穿越亮桥进入其他本影区。因此，在主本影内选择了两个具有代表性的样本点测量该区域内的振荡周期，而在其它两个小本影内分别选取一个样本点测量黑子本影的振荡周期。结果发现，位于主本影内的样本点的振荡周期均为141.2 s，而位于小本影内的样本点，测量到的周期相对要长一些，分别为160 s和171.5 s。这种周期长短的差异可能主要由于样本点是否受多个振荡源作用所产生造成的。由于小本影内的光强变化只由其内部的唯一振荡源产生，因此它们的周期应该就是该振荡源的振荡周期，而在主本影内，由于存在多个振荡源，这些振荡源都会产生行波，当比较强的行波传播到其他振荡源的位置时，增加了后者的波峰数，结果也就增加了后者的振荡频率，相应地，后者的振荡周期就缩短了。综合4个振荡源的测量周期得到了它们的平均值为154 s，这个测量结果可以看成是本影的振荡周期，显然，这个结果显示在Ca II波段观测的本影振荡是一种典型的3 min振荡。

从前面的分析可以看出，本影内光强周期性的变化主要由本影振荡引起的，这为比较准确地测定太阳振荡的周期提供了便利条件，但是在测量过程中还得注意排除其他因素的影响。这些因素主要有活动区内的小尺度短时标磁活动引起的增亮现象，这些增亮过程可能会使光强轮廓线在某些时段内整体向上或是向下飘移，结果可能造成在功率谱曲线上产生一个低频的峰值，这种低频噪声很容易在数据处理过程中被直接排除。另外，在测量过程中也会不可避免地产生一些测量误差，这些误差可以分为两部分:系统误差和随机误差。系统误差是由测量过程中数据采集系统的采光响应函数的偏移以及在数据采集中引入一些必要的简化造成的。系统误差可以通过平场和暗场等处理进行部分的消除，而那些经过处理后残存的系统误差余量由于是被测光强的连续函数，会随被测光强的变化作有规律的变化，因而对测量本影振荡周期的影响比较小。而且由于Hinode观测的精度非常高，因此，可以忽略系统误差对振荡周期测量的影响。随机误差是由探测器电噪声、大气湍动等随机产生的附加光强，它对测量光强会带来一些不可预测的影响。但是从图3和图5的光强轮廓线(实线)可以看出，Hinode观测的振荡引起的光强远比随机误差造成的光强变化要大得多，因此随机误差对测量振荡周期也不会造成实质的影响。综上所述，文中的测量结果应该比较真实地反应了太阳振荡的振荡周期。

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