太阳立体探测任务设想

太阳空间探测在太阳物理前沿科学问题研究和空间天气预报应用研究方面具有重要的意义.人类在60余年的太阳空间探测活动中,取得了一系列重要成果,但仍存在诸多根本性重大问题有待解决.太阳立体探测可以克服单视角观测的局限,获取全方位、多要素的物理数据,促进解决太阳物理中的重大科学问题.本文介绍了太阳内部结构和磁场起源、太阳活动机理研究、太阳活动的全日球空间天气效应和空间天气预报模式研究4个科学目标,太阳立体探测任务空间布局、系统组成和探测器总体设计,以及太阳立体探测任务的有效载荷配置和主要技术指标.     

磁场重联中的螺度守恒

对高导电等离子体,Taylor认为电阻耗散仅限于局部地区,总螺度近似守恒.在这一假定下,Taylor成功地解释了实验室等离子体中反向场的形成和相关特征.若将螺度守恒应用于太阳大气,则发生在低层的磁场重联将导致螺度向上层日冕传输并不断积累,其后果是:(i)日冕中磁自由能增加,导致耀斑发生;(ii)所积累的螺度需要某种机制从日冕中带走,日冕物质抛射很可能属于这类机制.关于磁场重联过程中螺度近似守恒的性质,至今仍然是一种假设.本文采用二维耗散MHD模型,对这一假设进行检验.考虑直角坐标下的二维问题,y轴垂直于光球层向上.引入磁通量函数A(t,x,y),将磁场表示为略去重力,将二维三分量MHD方程化成无量纲形式:     

电离层与太阳活动性关系

秉含着不同时间尺度的太阳电磁辐射变化无疑会调制电离层. 作为电离层物理的核心 问题之一, 电离层对太阳活动性的依存关系是认知电离层结构与演变的基础. 本文简要地综 述最近一些年在电离层的太阳活动性依赖特性方面取得的进展, 涉及的内容包括: (1) 在太阳 辐射的观测与太阳活动指数方面, 以电离层研究的视角评述了太阳活动指数存在的问题, 统 计证实了太阳活动指数与EUV 辐射通量间的非线性关系, 以及改进太阳活动指数的一些努 力; (2) 阐述了在不同高度电离层的太阳活动性依赖性的工作进展, 特别是最近的统计研究发 现, 随着太阳EUV 辐射通量变化, 电离层电子密度变化趋势与所在纬度、季节、地方时和高 度有关, 可区分为准线性、放大和饱和3 种类型, 取决于不同的主控物理过程; (3) 太阳活动 历史序列和23/24 太阳活动周极低展示出太阳活动性存在极端现象, 讨论了太阳辐射极端条 件下的电离层状态; (4) 在电离层的耀斑响应方面, 对全球观测数据的分析研究揭示出耀斑期 间电离层响应与一些太阳参数的统计关系, 特别是修正了以往关于电离层响应与天顶角无关 的错误论断. 利用电离层模式成功模拟了耀斑期间电离层响应的季节、地方时变化和高度差 异等的观测特征. 以上相关工作有助于理解电离层的基本过程, 并为电离层建模、预报和相 关工程应用提供指导.     

基于自动特征提取方法的太阳耀斑预报模型

在太阳耀斑预报模型中,首先需要从原始观测数据中提取刻画太阳活动区特性的物理特征参量,然后使用统计或机器学习方法寻找物理特征参量与太阳耀斑发生的关系,以达到建立太阳耀斑预报模型的目的.其中,太阳活动区物理特征的提取在整个建模过程中发挥着重要的作用,活动区物理特征的优劣直接决定着预报模型性能的高低.然而,随着机器学习技术的发展,机器学习方法中的深度学习算法能够从原始数据中自动提取特征,并建立预报模型.本文利用深度学习方法建立了一个太阳耀斑预报模型.与先提取活动区物理参量、再建立预报模型的传统机器学习方法相比较,本文所建立的预报模型具有更好的预报性能.     

天体物理和空间物理中辐射磁流体动力学数值模拟研究现状与展望

宇宙中超过99%的重子物质都是等离子体,磁场在其中广泛存在且与等离子体相互作用.另外,辐射也往往对于这些等离子体的动力学起着重要影响.因此,完整描述这些等离子体的基本物理规律依赖于辐射磁流体动力学.由于非线性以及物理上多尺度耦合的特征,数值模拟在求解辐射磁流体动力学方程中起着重要的作用.近年来,由于技术及软硬件的快速发展,数值模拟的作用越来越显著,已经与观测、理论一起,发展成为了3种主要的研究方法.本文综述辐射磁流体动力学的数值模拟在天体物理(包含太阳物理)以及空间物理领域的研究现状,并对未来的发展进行展望.     

太阳耀斑预报研究进展

太阳耀斑是指发生在太阳表面局部区域中突然和大规模的能量释放过程.它是空间环境的主要扰动源,对地球空间环境造成很大影响.太阳耀斑预报是空间天气预报的重要组成部分,对其研究具有重要的实用价值和科学意义.现有的大部分太阳耀斑预报模型是从观测数据提取预报因子,利用各种统计和数据挖掘技术建立预报因子与耀斑发生之间的关系模型,利用建立的模型对未来时间的耀斑发生进行预报.在预报研究中,预报因子、预报方法和预报模型是3个主要研究领域.其中预报因子的选取和数据处理尤为重要,是建立预报模型的前期工作.预报因子主要采用太阳黑子、磁场参量和分形因子等.预报方法包括统计方法、机器学习方法和数据同化方法.统计方法在早期的耀斑预报建模中用的较多,随着数据挖掘技术的发展,越来越多的机器学习方法应用到预报模型中并取得了较好效果.而近期发展的数据同化方法有更好的模型修正能力.预报模型早期基本使用静态模型,后来发展起来的动态模型具有更强的优势;而自组织临界模型在物理方面给了耀斑发生更多的解释.本文分别从这3个方面总结了耀斑预报的研究进展,结合中国科学院国家天文台太阳活动预报中心的工作,评述了一些重要的研究成果.最后,对未来的研究方向进行了总结和展望.     

驱动太阳磁周期的原因是什么?

太阳磁活动强度呈现大约11年的周期性变化,这是太阳内部等离子体湍动对流和磁场相互作用的结果,即太阳的磁流体力学发电机过程.由于对流层强分层、湍流和非线性的特征,人们远不能通过真实太阳物理参数的全球磁流体力学的数值模拟来认识太阳磁周期的演化.简化的发电机模型,如轴对称运动学平均场发电机模型在理解太阳磁周期方面取得了长足进步.磁场的极向分量和环向分量在一定速度场的作用下相互维持,使得磁场能持续的周期性变化.其中的关键物理问题包括:产生环向场的机制和位置,产生极向场的机制和位置,环向场浮现到表面产生具有倾斜角黑子的物理过程以及黑子赤道向迁移的机制.目前只有环向场的产生机制争议较少,其他的问题自20世纪60年代平均场发电机模型建立以来,不同时期有不同的主流认识和主流的发电机模型.过去十几年中Babcock-Leighton型磁通量输运发电机较为全面地解释了太阳磁周期变化的整体特征,但也面临一些新认知的挑战.包含环向磁流管浮现的三维Babcock-Leighton型发电机可能成为下一代主流的运动学发电机模型,它将和全球磁流体力学模拟并行发展,互相受益,提升对太阳磁周期的理解.     

太阳磁场测量

20世纪初太阳黑子中磁场的发现将对太阳的研究从唯象观测带入真正的物理研究。太阳磁场将太阳内部以及各层大气联系在一起,其演化驱动了太阳大气中的各种活动现象。太阳磁场的精确测量对于我们理解太阳物理学中大多数尚未解决的问题至关重要。文章主要回顾了太阳磁场的发现和观测历史,介绍太阳磁场常用的测量方法和当前面临的挑战。     

太阳磁场测量

20世纪初太阳黑子中磁场的发现将对太阳的研究从唯象观测带入真正的物理研究。太阳磁场将太阳内部以及各层大气联系在一起,其演化驱动了太阳大气中的各种活动现象。太阳磁场的精确测量对于我们理解太阳物理学中大多数尚未解决的问题至关重要。文章主要回顾了太阳磁场的发现和观测历史,介绍太阳磁场常用的测量方法和当前面临的挑战。     

超子-核子相互作用理论研究的最新进展

超核物理是核物理的一个重要分支,其微观理论的基本出发点为超子-核子相互作用.研究超子-核子相互作用不仅有助于理解奇异性在粒子物理与核物理中的作用,还可以检验SU(3)味对称性及其破缺程度.文章首先回顾了超核物理的起源,随后简要列举了在核物理、粒子物理以及天体物理等领域中,与超核物理相关的几个前沿热点问题,并指出研究超子-核子相互作用的重要性.接下来着重介绍超子-核子相互作用的理论研究历史及发展现状.在现有的相关工作中,研究方法主要包括唯象模型、格点量子色动力学模拟和手征有效场论.其中手征有效场论作为低能区量子色动力学的有效理论,在研究介子、重子等微观系统中展现出了独特的优势.因此,文章特别介绍了基于手征有效场论的超子-核子相互作用的最新理论研究进展.     

编者按: 空间物理和空间天气学

开展对空间物理和空间天气学的研究, 有助于更好地了解并预报空间环境中发生的灾害性空 间天气事件, 为国家的航天和通信事业服务. 作为一个跨学科的研究领域, 对空间物理与空间天气 学的研究需要不同领域的科技工作者的共同关注, 促进其有序、快速地发展. 本专题就“空间物理与 空间天气学”领域中若干前沿的科学问题作了评述, 分别是无碰撞磁重联中的电子动力学、地球磁 尾等离子体片中的高速流、地球内磁层中的高能粒子, 以及电离层和太阳活动的关系. 主要内容介 绍如下. 磁重联提供了一种快速地将磁场能量转化为等离子体动能和热能的物理机制, 它与空间物 理和空间天气学中的许多爆发现象密切相关, 本专题的第一篇文章讨论了电子动力学行为在无碰 撞磁重联结构形成中的作用, 以及电子在其中的加速机制. 等离子体片中的高速流则是一种经常出 现在磁层剧烈扰动期间的现象. 第二篇文章简单回顾了高速流研究的历史, 介绍高速流的成因及与 极光的关联, 探讨了其与等离子体磁结构的异同及其与背景等离子体的相互作用, 以及高速流在磁 层亚暴过程中的作用. 辐射带中的能量电子与离子是首要的空间天气威胁, 理解这些粒子如何在辐 射带中被加速是空间物理和空间天气学领域的主要挑战之一. 第三篇文章总结了行星际激波在内 磁层激发的超低频(ULF)波对“杀手”电子与能量离子的快速加速的最新进展. 秉含着不同时间尺度 的太阳电磁辐射变化是调制电离层的主要因素, 电离层对太阳活动性的依存关系是认知电离层结 构与演变的基础. 第四篇文章简要地介绍了最近一些年在电离层的太阳活动性依赖特性方面取得 的进展. 有关内容供感兴趣的科技工作者参考.     

太阳耀斑中的快速涨落现象

太阳耀斑是太阳物理、空间物理和地球物理共同研究的对象,它在短暂时间内释放巨大的能量,对星际空间以及地球周围环境产生很大的影响,因此太阳耀斑研究不但对了解太阳能量发射机制有帮助,对人类生活环境变化的了解也有现实意义。本期《太阳耀斑中的快速涨落现象》对太阳耀斑中各种辐射的快速涨落的观测和理论研究作了综述。     

敲开新物理大门的中微子——2015年诺贝尔物理学奖介绍

 2015年的诺贝尔物理学奖颁给了Takaaki Kajita(梶田隆章)和Arthur B. McDonald,他们在分别领导的大气和太阳中微 子实验中发现了中微子振荡。这种现象表明中微子具有质量,相关实验结果是超出粒子物理标准模型的重大发现。通过介绍 这些实验以及相关的物理,以期读者对中微子研究有较为全面的了解,并对物理的知识体系和研究方法有比较清楚的认识。     

窄带可调谐滤光器在太阳磁场测量中的应用

磁场测量是太阳科学观测中最重要的一部分,围绕磁场展开的相关研究是太阳物理的研究热点.磁像仪是一种可以进行高分辨磁场观测的精密测量器件,在地基和空间太阳观测中得到了广泛的应用.窄带可调谐滤光器是磁像仪获得窄带光的核心光学部件,其特性会对磁像仪的性能产生影响.滤光器分为两大类,具体可包括4种结构,不同结构具有不同的性能特征,可根据磁像仪的需求进行选择.本文调研了国内外著名地基、球载、空间太阳磁场望远镜,总结了太阳磁像仪中常用的各种窄带可调谐滤光系统的实现方式,滤光器的结构、原理、轮廓特性以及在磁像仪中的应用场景,归纳了不同太阳磁像仪滤光系统的设计特点和关键技术,以期为未来太阳磁像仪滤光系统的研制提供参考.     

一种全共享低交换并行高分辨太阳图像重建方法

高分辨图像重建在太阳物理研究中具有重要地位,但长期面临着观测数据量巨大,重建速度慢等难题,严重影响了太阳高分辨观测的开展.本文针对我国新一代太阳观测望远镜如一米新真空太阳望远镜(new vacuum solar telescope,NVST)、光学和近红外太阳爆发监测望远镜(optical and near-infrared solar eruption tracer,ONSET)的需求,通过实测方式细致分析了重谱法各模块的计算耗时,明确了数据交换性能是影响重建性能的关键瓶颈.在此分析基础上,提出了一种通用的全共享低交换并行高分辨图像重建方法.此方法基于消息传递接口技术(message passing interface,MPI)和共享内存机制,通过算法优化使重建计算进程完全利用共享内存来高速读写数据,显著减少进程间数据交换数量,降低通信开销.实验结果表明,本方法大幅度提高了重谱法和Knox-thompson法的重建性能,在单台16核PC服务器上,重建100帧ONSET 1660×1660像素大小图像和100帧NVST 1024×1024像素大小图像分别仅需约12.4和5.6 s,基本实现了实时高分辨重建的要求,为后续科学研究打下了坚实的基础.     

封面说明

正高分辨太阳观测图像对研究太阳物理有着非常重要的意义,但由于地基太阳望远镜受地球大气湍流等因素的影响,很难直接获取到高分辨的太阳观测图像.基于大量的短曝光观测数据,Knox-thompson法和重谱法是目前最为广泛应用的高分辨重建算法,但存在重建算法运算量大、耗时长、重建速度慢等一系列难题,严重影响了太阳高分辨观测的开展.昆明理工大学王锋教授快速高分辨太     

我国首颗探日卫星“羲和号”发射成功

<正>近期,我国在太原卫星发射中心采用长征二号丁运载火箭,成功发射首颗太阳探测科学技术试验卫星"羲和号"。该星将实现国际首次太阳Hα波段光谱成像的空间探测,填补太阳爆发源区高质量观测数据的空白,提高我国在太阳物理领域的研究能力,对我国空间科学探测及卫星技术发展具有重要意义。     

浅谈控制变量法在初中物理电学中的应用

控制变量法是科学探究的一种重要方法,在物理学中有广泛的应用.掌握控制变量法对探究物理规律、理解物理概念、设计物理实验、解决物理问题等都有重要的作用.本文就控制变量法在初中物理电学中的应用及注意事项做一探讨.     

轨道角动量光子的频率变换

轨道角动量(OAM)光束在精密测量、微小粒子的操控以及基础物理研究等领域具有重要的应用,同时基于OAM编码的光信息处理由于其信道容量大、保密性高等优点已成为经典和量子通信领域的研究热点.基于OAM编码构建高维量子网络是目前量子信息领域的一个重要研究方向,在近几年已取得了许多突破性进展.在量子通信中,作为信息载体的光子需要在低损耗的通信窗口传输,而作为信息存储和处理单元的物理体系其工作波长一般却不在通信窗口,因此需要在两者之间建立量子接口以满足量子信息既可被存储又能长距离传输的基本要求.基于非线性过程的光子频率变换就是建立量子接口的一种行之有效的方法.本文在概述了OAM光束频率变换的发展现状后,着重介绍了量子条件下OAM光子的频率变换研究进展.这些进展迈出了未来构建高维量子信息网络的重要一步.     

迎接与太阳物理最前沿的再次握手——专访《科学通报》编委邓元勇研究员

<正>中国科学院北京天文台怀柔太阳观测站始建于1984年,于1999年进入中国科学院知识创新工程,改名为"怀柔太阳观测基地"(以下简称"怀柔基地").经过多年发展、几代科研工作者的努力,怀柔基地先后产出了一系列重要成果,在国际太阳物理观测研究的前沿领域占有了一席之地.值怀柔太阳观测基地建立30周年之际,本刊对怀柔基地主任兼总工程师、《科学通报》编委邓元勇研究员进行了专访,