太阳物理学科进展071016

1、太阳物理学科进展报告一、国内外太阳物理领域发展现状国外太阳物理领域的发展和趋势太阳是一颗普通的恒星，也是唯一一颗能进行高分辨率详细观测和研究的恒星，因此它被视作 天然的等离子体实验室。对太阳活动的详细研究可以推广到宇宙间各类活动现象的研究中，并对研 究日地空间环境和地球环境有重大的实际意义。太阳物理学研究不仅对认识天体物理过程而且对广 泛的自然科学问题都是具有唯一性的。美国科学院关于新千年天文学和天体物理学的规划认为， 太阳物理学研究已经远远地超出了狭义的太阳物理和天体物理学范畴，正在向下列三个重大方向扩 展：（1）把太阳作为等离子体物理学研究的实验室；（2）理解和预报太阳对地球气候和日地环境

2、的 影响；（3）理解太阳演化对行星系统生命演化的作用，并在这些多学科层面创造新的知识。太阳物理的真正发展始于19世纪初。1802年发现太阳的吸收光谱；1844年发现太阳黑子11年 周期；1859年发现太阳耀斑；1908年测定黑子磁场；1919年发现太阳的22年磁周期；1930年首次 建成日冕仪；1939年确立日冕的存在；1942年发现太阳米波射电辐射、证认日冕高电离原子的禁线， 确认日冕为高温等离子体；1946年提出耀斑的磁重联机制、发现紫外和X射线光谱；1950年提出射 电辐射机制；1955年发现太阳普遍磁场；1958年预言太阳风并于1962年得到观测证实；1961年提 出太阳周唯象模型；1

3、968开展太阳中微子探测并发现中微子短缺，这一问题直到2001年才被Davis 和小柴昌俊解决并获得2002年度诺贝尔物理奖。从20世纪60年代开始，一系列空间观测揭示了太阳与日球空间的新面貌。如1962-1975年美 国的OSO 1-8系列卫星，1973-1974年运行的Skylab卫星，1980年的SMM卫星，1991年美国的 伽马暴探测卫星CGRO/BATSE等。1960年发现太阳5分钟振荡并导致十余年后日震学的确立与发展； 1962年确认太阳风；1971年发现CME； 1968-1977年初步建立耀斑标准模型；1983年发现过渡区 爆发现象，并证实它源于低层大气磁场重联；基于光球层矢量

4、磁场观测的日冕磁场外推方法陆续被 提出，MHD数值模拟工作得到发展。20世纪90年代以后太阳与日球物理的研究进入了一个全面发展时期。这期间空间卫星探测占 据主导地位，Yohkoh、Ulysses、SOHO、RHESSI、TRACE、Hinode、Stereo等太阳探测卫星无论是在 探测技术还是在探测范围都得到了空前的提高，开始了多波段、全时域、高分辨率和高精度探测的 时代。同时结合一系列地面观测设备的联合研究，取得了一系列科学发现：（1）太阳内部结构和动力学方面，1992年日震学研究在太阳辐射层和对流层边界发现了一个速 度高度剪切的、厚度只有约0.05Rd的Tachocline层，被认为是太阳

5、磁场和太阳周发端的孕床；发 现了新活动区浮现的显著特征；发现在接近太阳表面的稳定流向极区的子午环流；详细的三维磁流 体数值模拟，再现了活动区浮现的主要观测特征。（2）太阳表面磁活动方面，太阳磁场与电流和磁螺度同时浮现，通过对流塌缩和浮力不稳定性 发展为与太阳表面近垂直并超过1.5kG的磁场；太阳活动区的谱斑辐射增强超过黑子本影和半影的 吸收；太阳磁场分布决定太阳总亮度的变化；红外太阳向量磁场观测取得进展，得到在温度极小区 高达5G/km的磁场梯度，揭示低层大气的电流片结构；暗条和日冕磁场测量正成为可能；太阳表面 小尺度磁场的浮现和对消在约40小时的时标内迅速更新太阳表面磁通量；观测到太阳极区的

6、kG磁 场以及太阳表面量大命短的水平磁场。太阳表面的局地磁发电机可提供足够的磁能加热太阳外层大 气；太阳表面到处都存在小尺度的磁环，它们受对流等离子体影响，形成磁毯结构，很可能与传统的磁结构伞盖模型不一致。（3）太阳外层大气和日球方面，太阳色球和过渡区之间无明显边界，其光谱特征远离局部热动 平衡，是非线性磁流体动力学过程在辐射转移中的反映；有磁场和无磁场区域很可能存在不同的大 气模型，标准大气模型只是一个平均结果；初步证认日冕中波的传播、磁重联、微耀斑对UV和EUV 谱线轮廓的影响；射电、X射线、光谱和白光日冕观测揭示日冕以CME的形式向行星际空间抛射磁 化等离子体和磁螺度，同时通过发生在CM

7、E和耀斑之间的电流片当中的磁重联释放磁自由能；CME 的源区、触发机制、与太阳耀斑及爆发日珥的关系、和对地有效性研究取得重要进展；高速太阳风 起源的研究取得实质性进展。（4）太阳和恒星的联系方面，恒星磁活动研究和星震学取得重要进展。恒星磁活动对于恒星温 度和自转速度的依赖，及这些性质与恒星年龄和恒星光球锂和铍丰度的关系开始被揭示。研究与太 阳相似的恒星对理解和预测太阳磁活动长期行为有重要意义。（5）空间等离子体和磁流体数值模拟逐渐在太阳物理中得以应用，现已成为理论和观测之外的 又一种重要研究手段。在探测技术方面，进一步提高探测仪器的空间-时间-波段分辨率，并实现全波段的探测是未来 的发展方向，

8、2006年发射的日美欧合作项目Hinode （即Solar-B）在分辨率方面已经有了很大的提 高，计划中的其他项目，如SDO、Solar Orbiter以及几个地面设备如美国国立天文台4米太阳望远 镜（ATST）、大熊湖1.6米太阳望远镜（NST/BBSO）、美国变频太阳射电望远镜（FASR）等都将在这 几个方面有突破。太阳物理学尚未解决的难题中，以太阳发电机、太阳纤维化的表面磁对流过程和活动日冕的加 热等三大难题对天文学和天体物理学最重要。其中，有关太阳磁场和磁化等离子体的研究是最核心 的物理问题。太阳对气候和空间天气的影响、对宇宙中生命现象的影响，其根源都是太阳磁场活动。 近年天体物理研究

9、（如星暴星系、吸积盘和喷流、暴等）的进展，清晰表明天体磁场与等离子体耦 合（即磁流体力学）研究的重要性。由于太阳是唯一能进行高分辨率磁活动观测的天体，因此观测 和研究太阳对其它高能天体物理的研究有重要的引导和推动作用。美国科学院空间科学委员会提出的第一个挑战性的科学问题就是:“理解太阳内部的结构和动力 学、太阳磁场的产生、太阳周的起源、太阳活动的成因和日冕的结构和动力学。”理解、定量描述 并预测太阳、日球和磁层动力学过程对人类活动的影响成为当今空间科学的主要目标和重大课题之 一。在这些具有挑战性的课题中，理解太阳和空间等离子体过程的基本的物理原理，是一个基础性 研究。美国学者Aschwande

10、n在一篇综述文章中列出了以下10个太阳物理学中的重要课题：（1）中 微子问题；（2）太阳内部结构（即日震学）；（3）太阳磁场（包含发电机、太阳周的产生及日冕磁场 的测量）；（4）冕环动力学；（5）日冕中的波与振荡（即冕震学）；（6）日冕加热；（7）爆发现象的 自组织现象；（8）磁重联过程；（9）高能粒子加速；（10）日冕物质抛射及相应的现象。国内太阳与日球物理领域的现状和近几年的进展（1）研究队伍经过几十年的发展，我国已形成了一支在国际上有一定影响力的太阳物理研究队伍。这些研究 力量集中在中国科学院国家天文台、紫金山天文台、云南天文台、空间科学与应用研究中心和南京 大学。另外，在中国科技大学、

11、北京大学、北京师范大学等单位也有部分研究人员从事与太阳物理 相关的研究。研究人员总数大约有150名，其中包括中国科学院院士 5人，硕士和博士研究生约100 名。这些研究人员分布在大约10个研究团队里从事着各具特色的研究。（2）观测设备我国已建成了包括一系列总体性能优良的观测设备，其中部分设备达到国际先进水平。从规模 和水平看，我国太阳物理研究在发展中国家中居于首位，在部分研究领域保持了国际先进水平。这 些观测设备主要有：怀柔太阳观测基地：为国际重要的太阳磁场和速度场观测研究基地，拥有世界一流的太阳多通 道望远镜，该仪器分别获得国家科技进步一、二等奖各一次和中国科学院科技进步一等奖两次，可 进行

12、太阳光球和色球磁场和速度场观测。基地与美国大熊湖天文台在世界上首先成功地进行了太阳 磁场的“日不落”观测，为太阳物理研究领域中的开创性研究课题。近期建成的怀柔的全日面矢量磁 场望远镜系统，已经成功常规运行，开展全日面矢量磁场科学观测和研究工作，获得部委级科技一等奖。 具有高时间（5-8毫秒）、高频率（4-20MHz）分辨率的中国太阳射电宽带动态频谱仪（1.0-2.0GHz, 2.6-3.8GHz和5.2-7.6GHz频段），与紫台、云台联合获北京市科学技术一等奖。云南天文台太阳物理观测设备：0.6-1.5GHz频段射电频谱仪，频率分辨率1.375MHz，时间分辨 率5毫秒。全日面望远镜和Ha单

13、色像精细结构望远镜观测资料一直是太阳物理、日地关系及相关学 科研究的基础数据，先后参加了国内外色球活动巡视资料联合发布，也一直是全球太阳活动24小时 监视网络当中的骨干仪器。紫金山天文台太阳物理观测设备：4.5-7.5GHz频段射电频谱仪，频率分辨率10MHz，时间分辨 率5毫秒。赣榆Ha精细结构望远镜口径26cm，线心6563A，带宽0.25A，该仪器可对太阳进行高时 间分辨率成像观测。多通道近红外太阳光谱仪，同时对太阳活动及宁静现象进行Ha、Call 8542和 HeI 10830三条线的光谱观测和缝前Ha单色像观测。三条谱线的光谱（像元）分辨率分别为0.055 埃、0.052埃和0.04

14、8埃。南京大学太阳塔：塔高21米，定天镜口径60cm，成像镜口径43cm，焦距21.7m，目前在Ha、 CaII 8542和He I 10830三个波段配有成像光谱观测。光谱分辨率在Ha波段为0.025埃，在Ca 8542 波段为0.059埃。（3）科学研究进展在太阳表面磁学，包括太阳活动区向量磁场演化和太阳弱磁场研究，太阳活动大气的光谱诊断、 基于非局部热动平衡理论计算的半经验大气模型、耀斑动力学过程、太阳活动中的高能辐射、太阳 大气中的微观等离子体机制、太阳风理论和模型、太阳磁场的理论外推、太阳活动磁流体理论与数 值模拟、太阳活动中长期变化等方向开展了一系列原创性研究，在国际学术界已占有一

15、席之地。例 如，近年中国太阳物理学家在国际天文联合会编号学术会议上（IAU Symposia）或国际空间科学委 员会学术会议上（COSPAR Colloquia）多次担任科学委员会成员、分会主席、科学委员会联合主席 等。2004年以来，在IAU Symposia 上，中国太阳物理学者做了7次大会特邀报告，包括大会开场 评述报告。艾国祥曾担任IAU第10委员会主席，方成、汪景琇、甘为群都曾担任IAU第10和12委 员会组委；方成、汪景琇曾任和在任国际太阳物理权威刊物编委。另外我国资深学者胡友秋等在太 阳磁流体力学数值模拟研究中也在国际上有相当的影响。我国学者在太阳物理学科保持了相对的学 术优势。

16、二、国内太阳物理领域的近中期发展趋势和目标（到2015年）1太阳物理领域今后几年可能的仪器发展和课题带动我国太阳物理领域在近中期主要是围绕“两天两地”项目开展研究和探索，其中包括中法合作 太阳爆发探测小卫星（SMESE）计划和空间太阳望远镜计划（SST）的预研、云南省抚仙湖观测基 地（包括1米红外塔、南京大学ONSET望远镜）和内蒙古太阳射电频谱日像仪的建设。（1）望远镜发展项目SST预研：该项目于1989年由艾国祥院士提出，主要科学目标是实现高空间分辨率磁场和速度 场观测，以0.1-0.15的空间分辨率获得高精度的磁场结构，从而在国际上首次实现对太阳磁元的 精确观测，建立低层大气磁场演化与日

17、冕高层结构变化的关系，以及探讨小尺度磁场结构与太阳爆 发之间的物理联系。目前经过了概念性研究、国际合作评估、关键技术攻关，并完成了从原理样机 到工程样机的大部分工作，具备工程立项基础，力争早日发射上天，引领太阳物理前沿研究。SMESE预研：由中法太阳物理学家在2004年提出，卫星有效载荷包括：Lya全日面成像仪、Lya 日冕仪、远红外成像望远镜、高分辨X射线谱仪、宽波段伽玛射线谱仪。将首次实现Lya空间高分 辨全日面成像观测，首次实现内日冕的Lya日冕仪观测，首次实现太阳远红外成像观测，以及首次 实现能量扩展到600 MeV的太阳X射线和伽玛射线组合观测。预研工作进展顺利，有望于2008年春

18、天进入：8相研究。1米红外塔（YNST）： 973资助的“大型仪器设备”，是21世纪初我国太阳物理和空间天气预报 的主要观测仪器。仪器设备已经全部研制完成，将安装于云南省澄江县抚仙湖东北岸，这里经论证 为世界上最好的太阳物理观测站址之一。科学目标：在0.32.5微米波段对太阳进行高分辨率成像 和光谱观测（包括测量太阳磁场的精细结构、高时空分辨率的演化过程）以研究太阳磁场和动力学 流场的关系、建立更合理的活动区演化模型并实现对太阳活动的多波段多层次预报、其他小尺度磁 流管的动力学演化、黑子本影点模型、半影纤维结构、微耀斑模型等等。其设计考虑了我国未来20 年的观测需求。ONSET望远镜：南京大学

19、筹建的光学及近红外太阳爆发监测望远镜，也将安装在抚仙湖东北岸。 包括27.5cm 口径的镜筒观测Ha线心及线翼（波长可调）的全日面像、27.5cm 口径的镜筒观测He 10830 埃全日面像，以及一个20cm 口径的镜筒观测白光全日面像。将为我国监测莫尔顿波、He 10830波 等与CME相关的波动现象及象征甚强爆发的白光耀斑提供常规观测。太阳射电频谱日像仪（CSRH）：国家天文台筹建，设计工作频率为400MHz-15GHz，由100面口 径为2.4米/4.5米抛物面天线组成螺旋阵列，预计其空间分辨率为1.3-50”，时间分辨率为300ms 左右。已选址具有良好无线电环境并得到无线电宁静区保护

20、的内蒙古正镶白旗明安图镇。建成以后 将首次实现在厘米-分米波段上同时以高时间-空间-频率分辨率观测太阳活动的动力学性质，其科学 目标包括太阳瞬变高能现象、日面磁场和大气结构、确定耀斑和CME的源区特性等。通过与太阳射 电宽带动态频谱仪、太阳磁场望远镜等设备的联合观测研究，可望在日冕物理研究中取得重要原创 性的研究成果。（2）与望远镜后端设备有关的技术创新CCD芯片和CCD照相机技术：电荷耦合输出器件（CCD）已经成为太阳物理地面和空间观测的主要 探测器。天文观测用的CCD与民用数码相机CCD有相同的原理，但技术指标完全不同，特别是工作 波长有较大差别。天文学领域需要截止波长更长的红外CCD，波

21、长响应至少能达到2.5M。另外，红 外CCD由于军事原因，西方国家严格禁运，必须自主研发。通过自行研制CCD照相机，可大大降低 整机价格。云南天文台已有单片CCD系统集成和拼接的成熟技术，并同云南大学及昆明物理研究所 等单位开展了合作。针对目前产业化急需解决的CCD材料制备问题，提高红外CCD的响应率，开发 探测器件的产业化应用是非常必要的，可打破西方国家的封锁，早日实现我国高水平红外天文观测， 并在红外预警等技术领域有广泛应用前景。紫外成像望远镜技术：紫外成像观测是我国今后太阳物理观测设备发展的一个重点。紫外成像 望远镜技术在国外已经比较成熟，而我国仍然处于起步阶段，与国际水平还有较大差距，

22、应该加强 对紫外成像望远镜研制技术的支持，以期我国在紫外观测设备和研究能力方面有一个大的突破。前沿研究课题在我国现有研究基础和上述望远镜项目的带动下，结合国际上其他设备的公开观测数据，我国 应将下列研究列为需要进行重点关注的前沿课题：太阳各层大气之间的耦合研究：研究整个太阳大气中各种物理过程的内在联系，建立整体的 物理图像。包括太阳磁场的产生与演化、磁场自由能如何储存、被释放、并通过太阳风和CME带到 日地空间和近地空间、不同太阳大气层对耀斑等爆发过程在从射电到Y射线的不同波段的响应等。日震学-冕震学：这是研究太阳内部结构和太阳活动区结构与演化的有力手段。根据p模振 荡观测反演太阳内部物理状态

23、的方法有了许多发展。新的模型考虑到了最新的核反应速率、状态方 程、不透明度、微观耗散、由自转导致的混合等，可解释太阳中锂的亏损等问题。但是，对于0.4 个太阳半径以内的区域，只有用g模才能进行研究，观测上探测g模仍然是一个亟待研究的课题。太阳发电机理论：是太阳物理的核心课题之一，也是研究太阳活动和周期性的必要基础，不 仅需要解释如何将极向磁场转化为环向磁场，即所谓的3效应；也需要解释极向磁场的产生，即所 谓的a效应。对流区和辐射区的交界面(tachocline)很明显是产生效应的区域。但a效应的产生 区尚不明确，有模型认为是活动区的衰减以及向极区方向的漂移产生的。表层和深层驱动a机制是两 种互

24、相竞争的观点，也是值得研究的课题。2国内太阳物理领域今后几年可能发展的主要研究方向国内太阳物理研究主要集中在太阳磁场研究、太阳活动的多波段联合分析、CME、太阳等离子体 的理论研究及数值模拟、太阳射电研究以及太阳活动周期性和预报研究等领域，并取得了相当的成 就。根据我国现有情况，结合国际太阳物理的发展趋势，并考虑到太阳活动对空间天气的影响进而 与国民经济和国家安全紧密相关，建议以下课题为今后几年可能的发展方向：太阳各大气层之间的联系与耦合；太阳物理不同波段之间以及与实验室等离子体物理、日地空间物理的交叉研究；太阳小尺度结构以及磁场、速度场的精细结构和演化；耀斑高能辐射、射电辐射及动力学过程；C

25、ME的形态特性及物理机制；磁重联电流片内部精细结构及等离子体不稳定性；太阳磁场与等离子体相互作用的理论和数值模拟；CME激波的光谱方法和射电方法研究；固体探测器研制技术以及紫外镀膜技术。另外，结合太阳物理未来5-10年的“两天两地”规划，建议重点考虑以下地面和后端设备：(1) SMESE地面接收系统；(2)SST地面试验和实验设备；(3) 一米红外太阳塔焦面仪器，包括光谱仪、 F-P干涉仪、STOKES参数仪等；(4)射电日像仪后端处理；(5)光纤光谱仪；(6)低频-甚低频射电 频谱仪；(7)未来的新仪器发展。3现有与未来资源的共享资源共享(数据、软件等)在国际国内合作中起着非常重要的作用。随

26、着国际互联网的飞速发 展，几乎所有大型太阳观测设备都有其专门的网站，向专业人士提供仪器信息，数据和软件等资料 共享，同时也向民众普及天文知识。近年来，国内在这方面已经做了一些工作，但还远远不够，还 需要加强。可以借鉴国外的经验，建立我国的虚拟太阳天文台(VSO)，作为我国太阳物理资源共享的 平台，并与国外其它虚拟天文台对接。三、国内太阳物理领域的中长期发展趋势和目标(2015-2025)1太阳物理领域应该加强探索的前沿科学问题如前已述，在所有太阳物理难题中，太阳磁场和磁化等离子体的研究是最核心的物理问题。在 未来10-20年中，这个问题仍然是学术界最为关切的核心之一。基于近中期可能的观测设备:

27、“两天 两地”的顺利实施并投入观测运行)与科学进展，在未来10-20年内我国太阳物理研究的重点内容是：基于SST的高分辨率的太阳磁元结构的观测，并结合国际其他设备的观测结果，研究太阳 磁场的起源、结构和演化；基于SST、SMESE、YNST、ONSET、CSRH以及国际上诸如Solar-Orbiter等设备对耀斑爆发 源区的磁场和等离子体结构以前所未有的高时间-空间-频谱分辨力的多波段全时域的连续观测，研 究耀斑射电辐射、X射线和Y射线辐射爆发特征和规律，高能粒子加速机制，并在理论解释上寻求 新的突破；从观测数据分析、理论研究和数值模拟多方面研究太阳大气中的磁场-流场-等离子体相互 作用过程，

28、并在日冕加热理论方面取得突破；利用国际多种观测设备的联合探测，在日震学-冕震学研究方面取得进展，进一步完善关 于太阳内部结构和太阳活动区结构的有关理论，并在类太阳恒星的研究方面取得进展；太阳物理学、空间物理学和地球物理学的交叉研究，在CME的起源、发生规律和对空间 天气的作用，太阳活动预报的物理基础以及日地空间灾害性天气的预报方法等方面取得进展，为地 球空间环境和安全、国家经济建设和国防安全提供切实可靠的保障。2.我国太阳望远镜的发展战略及其可能遇到的技术挑战和突破在未来10-20年，我国太阳望远镜的发展方面主要包括如下两个方面：保障已有设备，如SST、SMESE、YNST、ONSET、CSRH等的正常运行，充分发挥其效力；同 时在运行过程中还需要对设备不段进行完善和改进，以增强设备的科学效能和延长其科学寿命；未来新一代太阳观测设备新概念的预研。考虑到我国有限的人力物力资源和科技基础，必 须集中力量优先发展有特色的主干设备。以发展空间探测设备为重点，配以地面仪器建设，形成空 间和地面、大中小设备互补的、覆盖广阔波段的、具有中国特色的观测设备体系。在未来10-20年里，我国可能面临的技术性的挑战主要有：新一代大口径望远