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太阳物理

季海生

在过去十年里,随着我国太阳物理研究队伍的不断壮大,中国已经成为国际太阳物理界的重要研究力量。在科研方面,我国每年发表在国际期刊上的文章大约250篇,仅次于美国。中科院出具的2014-2018年天文学领域文献计量统计报告显示,在全球1%和10%高引用论文中,来自中国的太阳物理论文占全球的比例均比中国天文学的平均水平要高2~3倍。影响力指数(某国特定学科的篇均被引频次与该学科全球篇均被引频次的比值)为0.997,表明中国的太阳物理论文在引用上已达到国际平均水平。我国学者通过分析国内外观测数据或模拟,在太阳大气的基本辐射和动力学过程、太阳大气的精细结构的形成以及相关的波和能量的传输、太阳爆发活动的储能与释能物理机制、太阳磁场长期演化及发电机的模拟方面获得了大量的进展,这些进展增加了人类对于发生在太阳上的辐射磁流体力学(或磁化等离子体)等基本物理过程的认识,为灾害性空间天气的准确预报提供了新的认识。值得一提的是,大多数工作是由年轻学者牵头完成。

在地面观测方面,我国目前正在常规运行的光学观测台站有怀柔基地、抚仙湖基地等,子午工程Ⅱ期磁场望远镜和H-α望远镜即将落户紫金山天文台赣榆站。自2014年起抚仙湖的“新真空太阳望远镜(NVST)”已经发表了一百多篇审稿论文。代表性成果包括对色球小尺度磁重联过程的直接成像观测,首次在太阳耀斑中发现具有扭缠结构磁岛形成的快速磁重联、黑子或者网络场旋转形成扭缠磁结构,并触发太阳活动和高清晰的日珥结构等。日冕观测取得了零的突破。我国研制成功多套毫秒级高分辨宽带动态频谱仪,装备于国家天文台、云南天文台和山东大学等站址。此外,国家专项也将建设超宽带高分辨频谱系统;山东大学研制成功35~40GHz的毫米波射电观测系统。基于我国宽带动态频谱仪在过去20年积累的数据,发现了一批独特的微波频谱精细结构和尖峰群及耀斑射电前兆,并发展了诊断爆发源区磁场和粒子加速过程的新方法。2016年建成了明安图厘米-分米波射电日像仪MUSER,具备了宽带频谱成像能力。国家子午工程Ⅱ期正在明安图和稻城各布局建设一套米-十米波日像仪,二者的互补观测完整覆盖30~450 MHz 的频率范围。在过去十多年里开展了西部太阳选址工作,在川西无名山堪选了大口径地基太阳望远镜(包括日冕仪)的台址;此外,在青海冷湖堪选了红外太阳观测的台址。8米级光学望远镜的科学目标业已完成,立项过程在推动之中;地基大视场2.5米望远镜和2米环形望远镜正在建设之中。

在空间观测方面,H-α光谱望远镜(CHASE)成功发射已经取得科学数据,标志着我国太阳物理界的空间观测取得实质性突破,同时,先进天基太阳天文台(ASO-S)将在2022年择机发射,其科学应用系统基本建好。数个空间(预研)项目已被提出,主要聚焦在偏离日地连线方向的立体观测,其中包括在黄道面上布点的立体或全景观测,也包括飞离黄道面从太阳极区方向进行的立体观测;另外,我国学者提出的具有创新特色的项目,如紫外光谱仪观测日(星)冕磁场和立体磁场观测,也已经提出并得到充分预研。

在空间天气预报方面,国内多家单位成立了相应的研究队伍,经验预报模型和数值模拟预报模型都取得一定的效果。近十年来观测数据迅猛增加,人工智能技术越来越多地用来自动提取前兆特征,并取得良好的预报效果。学者们成功利用机器学习方法从紫外辐射预测了日冕软射线辐射。在CME的对地有效性预报方面,近十年获得长足进步。近期研究表明,机器学习方法对CME抵地时间的预报表现出色,误差缩短到6小时左右,与人工预报相似。研究也表明对太阳爆发进行立体观测将进一步提高预报精度。

在类太阳恒星活动研究方面,通过多年的努力,我国太阳物理学者已与国际主流保持同步。代表性工作有:(1)基于Kepler和TESS空间望远镜的恒星光变数据,建立了恒星磁场和耀斑的活动性指标,并与太阳活动进行了比较,构建了恒星耀斑活动数据集,分析了恒星耀斑活动的统计分布规律;(2)利用 LAMOST 望远镜的恒星光谱观测数据,构建了恒星色球活动光谱数据集;(3)获取了恒星色球活动的统计规律,分析了恒星色球活动性与恒星年龄的关系。以 LAMOST 望远镜为代表的自主大型巡天观测设备及其海量观测数据是我国在这一研究领域的优势所在。

本报告主要参考了汪景琇、陈鹏飞、田晖等人撰写的《太阳物理规划》(2020)。 7kF+b2gd97sk3lRVAft0k936OYSNqiP/skrTHGJauHcsGOTIvhKdm1jzIzmwGnFg

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