A New Implementation of the Magnetohydrodynamics-Relaxation Method for Nonlinear Force-Free Field Extrapolation in the Solar Corona
日冕中的磁场通常采用非线性无力场(NLFFF)模型由光球矢量磁图外推。NLFFF外推法的数值实现需要付出相当大的努力。在本文中,我们提出了一种新的实现磁流体力学(MHD)松弛方法的NLFFF外推。为了加速磁流体动力学系统的弛豫过程,引入了磁摩擦方法,并通过时空守恒元和解元(CESE)方法实现。采用磁场分裂法进一步提高了计算精度。底边界条件是通过改变横向磁场增量匹配磁图,和所有其他的人工边界的计算框简单地固定。我们通过两种类型的NLFFF基准测试来检查代码,Low & Lou(1990)半解析力自由解决方案和van Ballegoijen等人(2007)构建的更现实的太阳能案例。结果表明,我们的实现是成功的,并且对于相对简单的情况或需要对磁拓扑进行重大重建的相当复杂的情况(例如,一根磁通绳我们还计算了一套度量来定量分析结果,并证明我们的代码在外推精度方面的性能基本上达到了目前最好的代码的水平,例如,由Wiegelmann(2004)开发。
2012-02-05 astro-ph.SR
A comparison study of extrapolation models and empirical relations in forecasting solar wind
日冕物质抛射(CME)和高速太阳流作为背景太阳风的扰动,对空间天气动力学有重要影响。因此,准确预测背景风特性的强有力框架是开发任何空间天气预测工具箱的基本步骤。在这项试点研究中,我们专注于实施和比较的各种模型,是一个稳定的状态,太阳风预测框架的关键。具体来说,我们进行案例研究卡林顿旋转2053年,2082年和2104年,并比较了磁场外推模型的性能与速度经验公式预测太阳风性能在拉格朗日点L1。本文提出了两种不同的从日冕区域外推太阳风到日球内区域的模型,即(a)基于动力学的(日球逆风外推[HUX])模型和(b)基于物理学的模型。基于物理的模型解决了一组保守的流体动力学方程,使用PLUTO代码,并可以额外地预测太阳风的热特性。通过统计方法对不同模式预测太阳风参数的能力进行了量化评价。我们进一步扩展这个框架,也评估行星际磁场在L1的极性。我们针对CR 2053情况的最佳模型给出了非常高的相关系数($\sim$ 0.73-0.81),并且均方根误差为($\sim$ 75-90 kms $^{-1}$)。此外,基于物理的模型具有与从每小时OMNI太阳风数据获得的标准偏差相当的标准偏差,并且还产生与从相同数据库在L1处测量的观测到的太阳风质子温度相当匹配的结果。
2020-10-26 astro-ph.SR
Test magnetohydrostatic extrapolation with radiative MHD simulation of a solar flare
上下文在太阳上,磁场矢量通常只在光球层中测量。利用这些光球观测数据作为边界条件,我们发展了磁流体静力(MHS)外推法来模拟太阳大气。该模型假设了磁力和非磁力的相对重要性。虽然日冕是无力的,但光球层和色球层的情况并非如此。瞄准在\cite{zw18}中用精确平衡对模型进行了检验。在这里,我们提出了一个更具挑战性和现实的测试,我们的模型与辐射磁流体模拟的太阳耀斑。方法.采用最优化方法,MHS模型自洽地计算了等离子体的磁场、压强和密度。以非线性无力场(NLFFF)和沿磁力线的重力层结大气作为优化的初始条件。结果与NLFFF模型相比,MHS模型不仅在磁场大小和方向上,而且在磁连通性方面都有改进。此外,MHS模型还能恢复光球层和色球层等离子体的主要结构。
2019-10-08 astro-ph.SR
Magnetic Field Extrapolations in the Corona: Success and Future Improvements
由于太阳大气具有磁性,因此对太阳大气不同区域磁场的结构和演化的认识是过去几十年来的一项重要任务。由于测量日冕中的磁场的困难,这项任务变得复杂,而目前已知在光球层和/或色球层中具有良好的精度。因此,为了确定日冕磁场,已经基于观测到的磁场开发了一种数学方法。这就是所谓的磁场外推技术。这种技术依赖于两个关键点:(i)导致微分方程组求解的物理假设,(ii)相关边界条件的选择和质量。在这篇综述中,我总结了目前使用的物理假设和在太阳大气中不同尺度的研究结果。我集中讨论适用于太阳磁场数据的外推技术,并与观测结果进行比较,在广泛的波长范围内(从硬X射线到无线电发射)。
2013-07-16 astro-ph.SR
Advancing solar magnetic field extrapolations through multi-height magnetic field measurements
针对低层大气不满足无力场假设的问题,本文结合多高度磁场测量与物理信息神经网络,并引入灵活高度映射,显著提升太阳日冕磁场外推真实性。
2023-12-11 astro-ph.SR
Casting the Coronal Magnetic Field Reconstruction Tools in 3D Using MHD Bifrost Model
日冕磁场的量化仍然是太阳物理学的核心问题。目前,日冕磁场的模拟通常采用非线性无力场(NLFFF)重建,其精度尚未得到全面评估。在这里,我们执行一个详细的铸造的NLFFF重建工具,如π消歧,光球场预处理,和体积重建方法,使用一个3D快照的公开可用的成熟的辐射MHD模型。具体而言,从MHD模型中,我们知道整个3D域中的磁场矢量,这使我们能够对3D模型体积中的恢复磁场和真实磁场进行"逐体素"比较。我们的测试表明,现有的π消歧方法往往失败的小规模的磁性元素占主导地位的安静的太阳区域,而他们在AR光球和(甚至更好)色球层工作得很好。光球磁场的预处理,虽然确实产生了一个更自由的边界条件,也导致了一些有效的"海拔"的磁场组件。该"仰角"高度对于纵向和横向分量是不同的,这导致在重建的磁性数据立方体中的绝对高度中的系统误差。从实际AR光球磁图开始进行的外推没有这种系统误差,同时具有与从预处理磁图外推的那些可比较的其它度量。这一发现有利于使用外推从原来的光球磁不预处理。我们的测试进一步表明,从力自由色球边界外推产生可测量的更好的结果,比那些从光球边界。
2018-09-13 astro-ph.SR
Testing magnetofrictional extrapolation with the Titov-Démoulin model of solar active regions
本文以Titov和Démoulin的太阳活动区模型为试验场,研究了非线性磁摩擦外推方案。该模型由一个拱形的,线绑电流通道举行的力自由平衡的双极通量分布在底部边界的势场。一个修改后的版本,具有抛物线电流密度分布,在这里采用。我们发现,平衡重建具有非常高的精度在一个代表性的范围内的参数空间,只使用在底部边界的矢量场作为输入。在磁通绳和周围的拱圈之间的界面上形成的结构特征-“双曲线磁通管”和“秃斑分界线表面”-被可靠地再现,因为是磁通绳扭曲和能量和螺旋度的配置。这表明,包含这些太阳活动区基本结构元素的无力场可以通过外推法得到。所选择的初始条件对重建精度的影响也得到了解决,确认初始场最佳匹配的模型的外部势场很自然地导致最好的重建。在参数空间的不稳定范围内外推蒂托夫-德穆兰平衡的磁迹图,得到一个由两个相反的演化阶段组成的序列,这清楚地表明了该位形的不稳定性质:随着自由能的上升,磁通绳的部分积累随后被破坏,失去了大部分自由能。
2010-05-03 astro-ph.SR
FIVR-NLFFF: A fully-implicit viscous-relaxation code for nonlinear force-free magnetic field extrapolation of the solar corona
提出全隐式黏性弛豫非线性无力场外推代码FIVR-NLFFF,通过求解磁感应与简化动量方程并采用无雅可比牛顿-克雷洛夫方法求解,在三个基准模型验证中表现出良好一致性,能有效重建日冕电流片,为研究触发太阳爆发的磁场提供了有力工具。
2025-09-17 astro-ph.SR
Chromospheric magnetic field extrapolations reveal the flux-rope configuration of a solar filament
High Altitude Observatory, NSF National Center for Atmospheric Research(美国国家大气研究中心高空观测站);Institute of Physics, University of Graz(格拉茨大学物理研究所);National Solar Observatory(美国国家太阳天文台);School of Electrical and Electronic Engineering, University of Sheffield(谢菲尔德大学电气与电子工程学院);Department of Astronomy, Eötvös Loránd University(罗兰大学天文学系);Gyula Bay Zoltán Solar Observatory (GSO), Hungarian Solar Physics Foundation (HSPF)(久洛·巴约·佐尔坦太阳观测站(匈牙利太阳物理基金会));Solar Physics and Space Plasma Research Centre (SP2RC), School of Mathematics and Statistics, The University of Sheffield(谢菲尔德大学数学与统计学院太阳物理与空间等离子体研究中心);Kanzelhöhe Observatory for Solar and Environmental Research, University of Graz(格拉茨大学卡恩泽霍厄太阳能与环境研究观测站)
通过结合光球和色球矢量磁图的多高度优化外推方法,准确重建了太阳暗条的预爆磁绳结构,解决了光球外推无法区分磁绳与剪切弧顶的歧义。
2026-06-09 astro-ph.SR
3D Structure of Microwave Sources from Solar Rotation Stereoscopy vs Magnetic Extrapolations
我们使用旋转体视法来估计相对于光球的稳态太阳特征的高度,基于其在几天的观测中记录的图像平面中的明显运动。体视算法适于与一维或二维数据(即,来自图像或来自记录源沿任意轴的投影位置的观察)一起工作。利用西伯利亚太阳射电望远镜5.7GHz附近、野边山射电日像仪17 GHz、以及从RATAN-600仪器在跨越5.98- 15.95GHz频率范围的多个频率下的一维扫描。陀螺共振发射机制,这是敏感的日冕磁场强度,被施加到转换的估计无线电源高度在不同的频率,h(f),信息的磁场与高度B(h),并比较结果与磁场外推来自光球磁场观测获得的Hinode和MDI。我们发现,回旋共振辐射来自于超出第三层回旋层位置的高度,与磁场外推法无关,并讨论了这一发现对日冕磁象学和日冕等离子体物理的意义。
2011-06-01 astro-ph.SR
Extrapolation of the Solar Coronal Magnetic Field from SDO/HMI Magnetogram by a CESE--MHD--NLFFF Code
由于没有直接的测量数据,日冕中的磁场通常是通过数值方法从光球层外推得到的。目前,非线性无力场(NLFFF)模型是低日冕外推的主要物理模型。最近,我们发展了一个新的带有MHD弛豫的NLFFF模型来重建日冕磁场。该方法基于CESE-MHD模型,采用守恒元/解元(CESE)时空格式。在本文中,我们报告的应用程序的CESE-MHD-NLFFF代码的\SDO /HMI数据与磁图采样的两个活动区(AR),NOAA AR 11158和11283,这两个都是非常非潜在的,产生X级耀斑和喷发。对原始磁图进行预处理以去除力,然后输入到外推代码中。与\SDO /AIA图像的定性比较表明,我们的代码可以重建类似于EUV观察到的日冕环的磁场线。活动区的大多数重要结构都被很好地再现,比如在AR 11158中悬挂细丝的高度剪切场线和在AR 11283中对应于S形的扭曲磁通绳。定量评估的结果表明,无力约束是很好地满足在强场区,但显然不是那么好,在弱场区,由于数据噪声和数值误差的小电流。
2013-04-10 astro-ph.SR
Distribution of magnetic helicity and energy with height in solar atmosphere
State Key Laboratory of Solar Activity and Space Weather, National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences(中国科学院国家天文台太阳活动与空间天气国家重点实验室);University of Chinese Academy of Sciences(中国科学院大学)
本研究针对太阳大气中磁螺度和能量随高度变化的未知性,通过分析150个活动区数据与NLFFF外推,确定最优外推高度,为太阳活动区磁螺度统计研究提供参数约束。
2026-08-07 astro-ph.SR
Comparison of Coronal Extrapolation Methods for Cycle 24 Using HMI Data
利用SDO/HMI磁象仪的磁象数据,比较了日冕磁场的两种外推模型。这两个模型,一个水平的电流片源表面(HCCSSS)模型和一个潜在的场源表面(PFSS)模型在处理日冕电流不同。每个模型都有自己的关键变量,分别是一个尖点表面和源表面的半径,它被发现,调整这些高度在研究期间允许更好地拟合模型和太阳开放通量在1 AU的行星际磁场(IMF)计算。HCCSSS模型为2010年11月至2015年5月的整个时期以及该时期的两个子集提供了更好的拟合-太阳周期的最低/上升部分,以及最近确定的IMF峰值,即2014年中期至2015年中期太阳活动最大化之后。据发现,HCCSSS尖点表面高度为1.7 Rsun提供了最好的适合IMF的整个时期,而1.7和1.9 Rsun给两个子集的最佳拟合。PFSS源表面高度的相应值分别为2.1、2.2和2.0 Rsun。这意味着HCCSSS的尖点面随着太阳活动周期的进行而上升,而PFSS源面则下降。
2016-03-14 astro-ph.SR
Evidence for Solar Tether-cutting Magnetic Reconnection from Coronal Field Extrapolations
磁重联是引发太阳爆发事件的主要机制之一,但对其快速过程的直接观测一直是一个挑战。在这封信中,我们提出,使用非线性无力场(NLFFF)外推技术,可视化的场线连接的变化,在2011年2月13日在NOAA AR 11158的M6.6耀斑约30分钟的系绳切割重联。首先通过多波长观测收集了系绳切割重连的证据,然后通过分析从事件发生时观察到的四个明显的耀斑1700 A足点的位置追踪到的磁力线。就在耀斑之前,这四个足点非常靠近磁扭曲指数的局部最大值区域。特别地,来自内部两个足点的场线形成两个强扭曲的磁通束(高达~1.2匝),其彼此剪切并分别接近外部两个足点。耀斑发生后,足点周围区域的扭曲指数立即大大减小,上述磁力线变得低洼,扭曲程度降低(约0.6圈),由连接后来形成的两个耀斑带的环所覆盖。来自内部足点的大约10%的通量(~3x10^19 Mx)经历了足点交换。这部分光通量源自首先变亮的内部足点的边缘区域。从NLFFF外推推断的磁场连通性的这些快速变化与系留切割磁重联模型是一致的。
2013-10-18 astro-ph.SR
Analytical Three-dimensional Magnetohydrostatic Equilibrium Solutions for Magnetic Field Extrapolation Allowing a Transition from Non-force-free to Force-free Magnetic Fields
为了从光球层(或色球层)中的测量结果将磁场外推到日冕中,通常使用无力磁场。这并没有考虑到太阳大气层的低层并非没有力。虽然已经提出了一些使用磁流体静力学磁场的数值外推方法,但是一种互补的并且数值上相对便宜的方法是使用解析磁流体静力学平衡来外推磁场。在本文中,我们为一类特殊的解析三维磁流体静力平衡提出了一族新的解,这些解可用于此类磁场外推。新的解决方案允许从非无力到(线性)无力磁场的过渡的更灵活的建模。特别地,可以通过选择适当的模型参数来指定发生这种转变的区域的高度和宽度。
2019-11-25 astro-ph.SR
A Study of Magnetic Field Characteristics of Flaring Active Region Based on Nonlinear Force-free Field Extrapolation
日冕磁场是造成太阳耀斑和太阳爆发的原因。然而,可用于测量太阳爆发临界条件的磁场参数类型仍不清楚。为了理解太阳耀斑的可能条件,我们研究了Ishiguro & Kusano(2017)引入的无量纲参数$κ$,它包含了活动区(AR)中磁扭曲分布和磁通量的信息。我们引入了一个新的参数$κ^\ast$,作为$κ$的代理,我们已经分析了$κ^\ast$的演变过程中的耀斑期间的AR使用的非线性无力场(NLFFF)从光球矢量磁场数据外推。利用太阳动力学天文台(SDO)/日震和磁成像仪(HMI)的数据,我们计算了AR NOAA 11158在其为期三天的耀斑期间的$κ^\ast$。我们发现$κ^\ast$在两次大耀斑前升高到一定水平,发作后显著降低。结果表明,$κ^\ast$可以作为一个指标的必要条件,在AR的太阳爆发的开始。基于这一结果,我们提出了一种新的方法来评估一个大的太阳喷发的可能性,从AR相结合的参数$κ^\ast$和信息的AR的磁能。
2018-07-04 astro-ph.SR
Enhancing Multivariate Time Series-based Solar Flare Prediction with Multifaceted Preprocessing and Contrastive Learning
Utah State University(犹他州立大学)
本研究提出了一种新颖的预处理流程和结合对比学习与GRU回归模型的ContReg分类器,用于基于多元时间序列的太阳耀斑预测,显著提升了TSS得分并超越了现有方法。
2024-09-21 astro-ph.SR cs.AI cs.LG
Evaluation of Coronal and Interplanetary Magnetic Field Extrapolation Using PSP Solar Wind Observation
以PSP太阳风观测为约束评估PFSS模型参数,发现源表面高度2Rs外推更优,有限差分法大幅提升计算效率且精度相当。
2023-05-20 astro-ph.SR physics.space-ph
A Genetic Algorithm to model Solar Radio Active Regions from 3D Magnetic Field Extrapolations
近几十年来,由于观测具有更好的角分辨率和更宽的光谱覆盖范围,我们对太阳活动区(AR)的认识有了很大的提高。虽然先前的AR观测表明,这些结构在厘米波长下总是比安静的太阳更亮,但最近在毫米和亚毫米波长的观测表明,AR具有明确的黑暗阴影。有了这些新的信息,现在有必要更新我们对活跃区域太阳大气的理解和模型。在这项工作中,我们提出了一个数据约束模型的AR太阳大气,在其中我们使用的亮度温度测量NOAA 12470在三个射频:17(NoRH),100和230 GHz(ALMA)。基于我们的模型,假设无线电发射起源于热自由和陀螺共振过程,我们计算的无线电亮度温度图,可以与观测进行比较。在不同的大气高度的磁场,确定在我们的建模过程中,使用HMI/SDO拍摄的光球磁图的无力场外推。为了确定最佳的等离子体温度和密度的高度配置文件所需的观测相匹配,该模型使用的遗传算法,修改了一个标准的安静的太阳大气模型。我们的研究结果表明,模拟大气的过渡区(TR)的高度随模拟区域的类型而变化:对于本影,TR位于太阳表面上方1080 +/- 20 km处;对于半影,TR位于1800 +/- 50 km处;对于太阳黑子外的明亮区域,TR位于2000 +/- 100 km处。这些结果,我们发现很好的协议与观察到的AR亮度温度图。我们的AR模型可以用来估计在没有观测覆盖的频率下的发射。
2022-05-06 astro-ph.SR
On the extrapolation of magneto-hydro-static equilibria on the sun
模拟太阳光球层和日冕之间的界面区域是具有挑战性的,因为磁场和等离子体力的相对重要性变化了几个数量级。虽然日冕可以用无力假设来模拟,但我们需要注意光球层和色球层中的等离子体力(压力梯度和重力),这里是在磁流体静力学(MHS)模型中。我们利用最优化原理求解MHS方程,并以矢量磁图作为边界条件。通过用两个新的基本变量替换正压和密度来确保它们。在优化过程中引入洛伦兹力来更新底部边界上的等离子体压力,使得新的外推方法在没有光球层压力测量的情况下也能有效地进行。我们的代码进行了测试,使用线性MHS模型作为参考。从详细的分析,我们发现,新开发的MHS外推恢复参考模型在高精度。然而,MHS外推法在数值上比非线性无力场(NLFFF)外推法更昂贵,因此应将其应用限制在等离子体力变得重要的区域,例如在光球层上方约2 μ m的层中。
2018-10-12 astro-ph.SR
Studying the transfer of magnetic helicity in solar active regions with the connectivity-based helicity flux density method
在日冕中,磁螺旋度随着等离子体流和穿过光球的磁通量的出现而缓慢而持续地积累,分析磁螺旋度的这种转移是确定其在活动区动力学中作用的关键。基于连通性的螺旋度通量密度方法是近年来发展起来的研究AR中磁螺旋度的二维和三维传输的方法。该方法考虑到磁螺旋度的3D性质,明确地使用知识的磁场连接,这使得它能够忠实地跟踪光球通量的磁螺旋度。由于磁场在日冕中没有测量,因此必须使用从无力磁场外推获得的建模3D解决方案来导出磁连通性。不同的外推方法可以导致明显不同的三维磁场连通性,从而质疑的可靠性的连通性为基础的方法在观测应用。我们解决这些问题,通过应用这种方法的孤立和内部复杂的AR 11158与不同的磁场外推模型。我们表明,基于连通性的计算是强大的不同的外推方法,特别是在识别区域的相反的磁螺旋通量。我们的结论是,基于连通性的方法可以可靠地用于观测分析,是一个很有前途的工具,用于研究转移的磁螺旋在AR和它的耀斑活动。
2017-12-13 astro-ph.SR
Coronal Magnetic Field Extrapolation and Topological Analysis of Fine-Scale Structures during Solar Flare Precursors
本文融合GST高分辨率磁图与SDO/HMI大视场磁图,采用非均匀网格NLFFF外推与拓扑分析,揭示M级耀斑前兆中跨极性反转线剪切磁力线的磁重联结构。
2023-06-05 astro-ph.SR physics.space-ph
A New Code for Nonlinear Force-Free Field Extrapolation of the Global Corona
对太阳磁场的可靠测量仍然局限于光球层,我们目前对三维日冕磁场的了解主要是基于使用物理模型从光球磁图进行外推,例如,非线性无力场(NLFFF)模型。现有的NLFFF程序大多是用笛卡尔盒子或球楔等计算体积来开发的,而全球全球外推仍在开发中。考虑到太阳动力学天文台(SDO)可以提供高达$4096\times 4096$分辨率的全磁盘磁图,一个高性能的全球外推程序是特别迫切需要的。在这项工作中,我们提出了一个新的并行代码的全球NLFFF外推与光球磁记录作为输入。该方法是基于磁流体力学松弛方法,CESE-MHD数值格式和阴阳球网格,用来克服标准球网格的极性问题。该程序通过两个全球无力解进行了验证,这两个全球无力解来自Low & Lou的半解析无力场模型。该程序具有精度高、收敛速度快的特点,如果与自适应网格加密技术相结合,可以为将来的实际应用做好准备。
2012-06-10 astro-ph.SR
Identifying coronal sources of L1 solar wind disturbances using the Fisk heliospheric magnetic field and potential field extrapolations during three solar minima
本研究利用Fisk日球层磁场模型和结合Parker螺旋的势场外推法,回溯三个太阳活动极小期L1点太阳风扰动的日冕源区,首次将L1黄道面冕洞特征与极区冕洞关联,明确两类源区对L1太阳风的影响及模型互补性。
2024-04-17 astro-ph.SR physics.space-ph
The Force-Free Electrodynamics Method for the Extrapolation of Coronal Magnetic Fields from Vector Magnetograms
我们提出了一个新的改进版本,我们的无力电动力学(FFE)的数值代码在球坐标系外推的磁场在太阳日冕内从光球矢量磁图。该程序满足光球边界条件和divB=0的加工精度要求。我们的方法的性能与标准的收敛参数进行评估,并被发现是可比的其他非线性无力外推。
2012-09-25 astro-ph.SR
MHSXtraPy -- A Python code for the extrapolation of magnetohydrostatic fields on the Sun using analytical solutions
University of St Andrews(圣安德鲁斯大学)
该研究提出Python代码MHSXtraPy,基于解析磁流体静力学模型外推太阳磁场,纳入非无力到无力场过渡并支持参数化,通过快速傅里叶方法实现高效计算与可视化,适用于研究和教育。
2025-11-10 astro-ph.SR
An efficient method for magnetic field extrapolation based on a family of analytical three-dimensional magnetohydrostatic equilibria
提出一种基于解析三维磁静力平衡族的外推方法,支持从非无力区向无力区过渡,利用渐近形式提升数值效率,并通过人工边界和观测数据验证。
2025-04-23 astro-ph.SR
Azimuth ambiguity removal and non-linear force-free extrapolation of near-limb magnetic regions
给出了消除矢量磁图横向场180 °方位模糊性的可能性原理和独立于其在日面位置的磁场外推方法。这里揭示的是一个精确的对应关系之间的估计领域和非潜在的环结构的肢体。将Metropolis算法改进为适用于球面几何的算法,用于解算方位模糊度。基于Rudenko和Myshyakov(2009)的优化方法,我们使用校正的磁图作为非线性无力近似中磁场外推的边界条件。
2010-07-02 astro-ph.SR
Numerical Simulations of the Evolution of Solar Active Regions: the Complex AR12565 and AR12567
我们进行了两个封闭的活动区(AR)的磁流体动力学(MHD)的数值模拟。输入的磁场值是根据光球磁场的观测结果外推计算的日冕磁场。所研究的活动区NOAA AR12565和AR12567被登记为不同的双极区。我们的研究,三维日冕外推,以及数值MHD实验,揭示了实际上,他们一起演变为一个四极活动区。第二个区域后来出现在AR 12565的环系统下,并与此分离。其间形成的自然电流片对爆发性事件(耀斑和日冕物质抛射)的发生起着重要作用。
2017-03-18 astro-ph.SR
Three-dimensional magnetic field structure of a flux emerging region in the solar atmosphere
我们分析了高分辨率光谱偏振观测的通量新兴区域(FER),以了解其磁和运动学结构。我们在He I 1083.0 nm光谱区的FER的分光偏振观测记录与GRIS在1.5米口径的GREGOR望远镜。采用Milne-Eddington反演程序提取Si I谱线的光球层信息,而采用Hazel反演程序分析He I三重谱线,该程序考虑了Hanle效应和Zeeman效应的共同作用。对Si I线的偏振光谱分析表明,在FER附近存在复杂的磁结构。此外,我们发现40公里/秒的超音速下降流出现在连接两个相反极性的孔隙的环的足点附近,而22公里/秒的强上升流出现在环的顶点附近。此外,在两层分别进行非无力场外推,以了解FER的磁场拓扑结构。我们确定,使用从光球和观测到的色球磁场外推,He三线态的平均形成高度是2毫米,从太阳表面。利用光球外推法沿一个拱形灯丝系统重建的环的最大高度为10.5 Mm,距太阳表面的足点间距为19 Mm,而利用色球外推法重建的环的最大高度为8.4 Mm,距太阳表面的足点间距为16 Mm。在FER的磁拓扑结构表明存在的小规模的环路下面的大环路。在适当的条件下,由于磁重联,这些回路可以在FER附近触发各种加热事件。
2019-10-29 astro-ph.SR
Comparing extrapolations of the coronal magnetic field structure at 2.5 solar radii with multi-viewpoint coronagraphic observations
磁场塑造了日冕的结构,但我们仍然对日冕磁场配置和日冕图像中观察到的准静态结构(如流光,羽流,日冕洞)之间的相互关系知之甚少。获得日冕磁场大尺度结构信息的一种方法是从光球数据中进行外推,并将结果与日冕图像进行比较。我们的目的是验证这种比较是否可以成为一种快速的方法,以系统地检查可用于重建冠状磁场的许多方法的可靠性。日冕场通常是从光球测量中推断出来的,通常是在太阳盘面上靠近中央子午线的区域,然后与边缘的日冕图像进行比较,这些图像是在太阳自转之前或之后至少7天获得的,隐含地假设在这段时间内日冕没有发生重大变化。在这项工作中,我们结合了从不同视角观察太阳的三个日冕仪(SOHO/LASCO-C2和两个STEREO/SECCHI-COR 1)的图像,以构建覆盖整个日冕的卡林顿地图,将时间演化的影响减少到5天。然后,我们比较观察到的流光在这些卡林顿地图的中性线从四个不同的磁场外推得到的位置,以评估后者在日冕的性能。我们的研究结果表明,日冕流光的位置可以提供重要的指示,以区分不同的磁场外推。
2019-05-22 astro-ph.SR physics.space-ph
Full-disk nonlinear force-free field extrapolation of SDO/HMI and SOLIS/VSM magnetograms
用于模拟日冕中磁场的笛卡尔几何中的外推代码没有考虑太阳表面的曲率,并且只能应用于相对较小的区域,例如,一个活跃的区域。我们比较分析的光球磁场和随后的力免费建模的基础上,从日震和磁成像仪(HMI)板太阳动力学天文台(SDO)和矢量光谱磁仪(VSM)的天气光学长期调查的太阳(SOLIS)的全磁盘矢量地图。我们使用日震和磁成像仪和矢量磁谱仪光球磁场测量模型的多个太阳活动区以上的无力日冕场,假设磁力占主导地位。我们解决了非线性无力场方程的球坐标最小化的功能在一个完整的磁盘不包括极点。在搜索特定数据集的最佳建模参数后,我们比较了由此产生的非线性无力模型场。我们比较的数量,如总磁能含量和自由磁能,纵向分布的磁压力和表面电流密度使用我们的球形几何外推代码。利用日震、磁成像仪和矢量磁谱仪数据进行非线性无力外推得到的磁场线具有较好的一致性。然而,基于日震和磁成像仪数据的非线性无力外推比基于矢量谱磁仪数据的非线性无力外推具有更多的总磁能、自由磁能、磁压纵向分布和表面电流密度的内容。
2012-10-13 astro-ph.SR
Finite Plasma Beta Three-dimensional Magnetic Field Extrapolation Based on MHD Relaxation Method
Institute of Space and Astronautical Science, Japan Aerospace Exploration Agency(宇宙科学研究所,日本宇宙航空研究开发机构);Graduate School of Science, Hiroshima University(广岛大学理学研究院);Center for Solar-Terrestrial Research, New Jersey Institute of Technology(新泽西理工学院太阳-地球研究中心)
本研究提出一种基于磁流体动力学松弛方法的有限等离子体贝塔磁力场外推方法,以提高高贝塔区域磁力场重建精度。
2026-01-06 astro-ph.SR
Multi-Scale Image Preprocessing and Feature Tracking for Remote CME Characterization
日冕物质抛射(CME)通过注入大量的快速太阳等离子体和高能粒子(SEP)云来影响太阳系中遥远距离的行星际环境。关于SEP如何产生的一些基本问题仍然存在,但目前的理解指向日冕物质抛射驱动的冲击和压缩。与此同时,前所未有的远程和现场(帕克太阳探测器,太阳轨道器)太阳观测正在成为限制现有理论。在这里,我们提出了一个通用的方法来识别和跟踪太阳图像的对象,如CME冲击波和细丝。该计算方案基于多尺度数据表示概念、槽小波变换和一组图像滤波技术。我们展示了它的性能与SDO/AIA望远镜观察到的一小部分日冕物质抛射相关的现象。通过在不同的分解和强度级别上分层表示的数据,我们的方法允许从成像观测中提取某些对象及其掩模,以便及时跟踪它们的演变。本文提出的方法具有通用性,适用于成像观测中各种太阳和日光层现象的探测和跟踪。它具有为深度学习准备大型训练数据集的潜力。我们已经在一个免费的Python库中实现了这个方法。
2022-05-31 astro-ph.IM astro-ph.SR physics.space-ph
Limitations of force-free magnetic field extrapolations: revisiting basic assumptions
无力外推法广泛应用于基于地面观测的日冕磁场研究。外推假定等离子体的内能与磁能之比,即等离子体β可以忽略。尽管这一假设被广泛使用,但观测、模型和理论研究表明,β值在几个百分点到10%以上的量级,因此并不小。我们调查这对外推结果的可靠性有什么影响。我们使用从力和能量平衡开始的基本概念来推断等离子体β和自由磁能之间的关系,研究日冕中电流相对于磁场的方向,并估计自由磁能的误差忽略等离子体的影响(β <<1)。与三维MHD模型的比较支持我们的基本考虑。如果等离子体β是相对自由能(自由磁能与总磁能的比率)的量级,则压力梯度可以平衡洛伦兹力。这是日冕的情况,因此电流没有被正确描述。特别是,忽略等离子体的磁能误差是自由磁能的量级,因此后者不能通过外推法可靠地确定。虽然无力外推法可能捕捉到日冕磁场的磁结构和连通性,但导出的电流和自由磁能并不可靠。因此,定量的结果外推的位置和量的加热日冕(通过电流耗散)和能量储存的磁场(例如,喷发事件)是有限的。
2015-10-15 astro-ph.SR
3D solar coronal loop reconstructions with machine learning
磁场对日冕中各种太阳现象的发生和演化起着至关重要的作用。三维日冕磁场的结构和演化仍然不是很清楚。一种获得日冕磁场三维结构的方法是通过执行从光球到日冕的磁场外推。在以前的工作中,它表明,通过规定的3D重建的环路的几何形状,磁场外推找到一个解决方案与建模的字段和重建的环路之间的更好的协议。此外,它还提高了野外外推的质量。体视法代表了用于执行3D冠状环重建的经典方法。它至少使用两个视图方向。当只有冠状环的一个有利位置可用时,必须应用其他3D重建方法。在这项工作中,我们提出了一种基于机器学习的3D循环重建方法。我们开发这种方法的目的是使用尽可能多的观测到的日冕环在空间和时间的日冕磁场的建模。我们的研究结果表明,我们可以构建机器学习模型,这些模型可以仅基于投影信息检索3D循环。最后,神经网络模型将能够仅使用从EUV图像中识别、跟踪和提取的冠状环的2D信息来计算其3D几何形状。
2021-03-18 astro-ph.SR
Energetics and Emission in a Simulated Solar Flare Initialised by a Non-Force Free Magnetic Field
University of Hertfordshire(赫特福德大学);Statkraft AS(斯塔特勒克公司);University of Oslo(奥斯陆大学);Université Paris-Saclay(巴黎萨克雷大学);Université Paris Cité(巴黎西岱大学);CEA(法国原子能和替代能源委员会);CNRS(法国国家科学研究中心);University of Manchester(曼彻斯特大学);New Jersey Institute of Technology(新泽理工学院)
本文比较了两种三维电阻磁流体动力学模拟,探讨初始磁场假设对日冕暴能量和观测特征的影响,发现非力-free初始化模型释放更多磁能并更符合X类暴的预期。
2026-05-14 astro-ph.SR
Solar Coronal Magnetic Field Extrapolation from Synchronic Data with AI-generated Farside
Kyung Hee University(庆熙大学)
太阳磁场在理解日冕现象的本质方面起着关键作用。全球日冕磁场通常是从光球场推断出来的,而光球场的远侧数据是在光球场的正面,大约两周前获得的。这是我们第一次使用前端和人工智能(AI)生成的近实时远端磁场构建全球磁场的外推。我们通过我们的深度学习模型,使用正面太阳动力学天文台极紫外图像和磁图进行训练,从日地关系天文台(STEREO)Ahead(A)和Behind(B)的三个通道远侧观测中生成远侧磁图。对于正面测试数据集,我们证明了所产生的磁场分布与真实的一致,不仅活动区(AR),而且安静的太阳区域。我们制作了全球磁场同步图,其中传统的远侧数据被我们的模型生成的远侧数据所取代。同步图不仅更好地显示了AR的出现,而且也比以前更好地显示了太阳表面上其他AR的消失。我们利用这些同步磁测数据,利用位场源面(PFSS)模型外推全球日冕磁场。结果表明,从太阳活动区和冕洞的角度来看,我们的结果比常规方法更符合日冕观测。我们提出了几个积极的前景,我们的新方法的研究日冕,日光层,和空间天气。
2020-11-01 astro-ph.SR cs.AI physics.space-ph
Measuring the Magnetic Field Strength of the Quiet Solar Corona Using "EIT Waves"
通过低日冕的全球传播扰动(通常称为“EIT波”)的传播变化提供了一个独特的机会来探测太阳大气的等离子体参数。在这里,使用太阳动力学天文台(SDO)上的大气成像组件(AIA)仪器拍摄的两个“EIT波”事件的高节奏观测与Hinode航天器上的极紫外成像光谱仪(EIS)的光谱测量相结合,并用于检查安静的日冕磁场强度的变化。SDO/AIA的脉冲运动学和Hinode/EIS的等离子体密度的组合被用来表明,在安静的电晕的磁场强度在~2-6 G的范围内。然后,磁场估计用于确定脉冲的高度,允许直接与从SDO上的日震和磁成像仪(HMI)使用PFSS和局域外推的磁场测量获得的理论值进行比较。虽然局部尺度外推预测的高度与先前的测量结果不一致,但观测结果与PFSS模型之间的一致性表明,“EIT波”是一种受全球尺度磁场影响的全球现象。
2013-05-22 astro-ph.SR
Constraining 3D Magnetic Field Extrapolations Using The Twin Perspectives of STEREO
利用\emph{STEREO}的双视角约束下的线性无力场外推法,重建了太阳活动区(NOAA 10956)的三维磁拓扑。一组日冕场的配置最初产生的光球磁场由迈克尔逊多普勒成像仪(MDI)观测到的\emph{SOHO}外推。使用EUV强度为基础的成本函数,外推场线,最符合171毫米通带图像从极紫外成像仪(EUVI)的\emph{STEREO}。这便于对外推场线的扭曲($α$)施加定量约束,其中$\nabla \times {\bf B} = α{\bf B}$。利用$α$的约束值,研究了扭曲度、连通性和磁能随时间的演化。磁通出现事件被发现导致该地区的磁拓扑结构和总磁能的显着变化。
2010-04-08 astro-ph.SR
How to optimize nonlinear force-free coronal magnetic field extrapolations from SDO/HMI vector magnetograms?
SDO/HMI仪器提供具有高空间和时间分辨率的光球矢量磁图。我们的目的是模拟日冕磁场以上的活动区域的帮助下,一个非线性的无力外推代码。我们的代码是基于一个优化的原则,并已进行了广泛的测试,半解析和数值平衡,并已应用于矢量磁图从日出和地面观测。最近,我们实现了一个新的版本,其中考虑到光球矢量磁图的测量误差。光球场的测量通常是由于测量误差和有限的引力不一致的边界,在日冕中的无力场。为了应对这些不确定性,我们开发了两个改进:1)。对表面测量进行预处理,使其与无力场兼容2.)新的代码之间保持了力的自由约束和光球场测量的偏差的平衡。这两种方法都包含自由参数,必须对这些参数进行优化,以便与SDO/HMI数据一起使用。在这项工作中,我们描述了相应的分析方法,并评估如何以及力自由和螺线管条件的满足,磁场和电流之间的角度和比较的磁场线的投影与日冕图像SDO/AIA的无力平衡。我们还计算了可用的自由磁能,并讨论了控制参数的潜在影响。
2012-02-16 astro-ph.SR
RatanSunPy: A robust preprocessing pipeline for RATAN-600 solar radio observations data
本研究推出开源Python包RatanSunPy,可实现RATAN-600太阳射电数据的访问、处理与活动分析,简化工作流以助力太阳大气研究和空间天气预报。
2024-12-11 astro-ph.IM astro-ph.SR cs.DL
Towards a Quantitative Comparison of Magnetic Field Extrapolations and Observed Coronal Loops
人们普遍认为,在太阳大气层中观测到的环描绘出了磁场线。然而,磁场外推产生的磁力线实际上遵循环路的程度还有待系统地研究。在本文中,我们应用三种不同的外推技术-一个简单的潜在的模型,一个NLFF模型的光球矢量数据的基础上,和一个NLFF模型的基础上向前拟合的磁源与垂直电流-到15个活动区域,跨越了广泛的磁条件。我们使用距离度量来评估这些模型中的每一个模型能够将场线与冠状图像中追踪的12,202个环路匹配得有多好。这些距离通常为1-2英寸。我们还计算每个跟踪环路和局部磁场矢量之间的未对准角,并找到5-12 $^\circ$的值。我们发现,NLFF模型一般优于这些指标的潜在外推,虽然不同的外推之间的差异相对较小。我们在这项研究中采用的方法提出了一些外推和环路识别可以改进的方法。
2018-05-01 astro-ph.SR
Test Problems for Potential Field Source Surface Extrapolations of Solar and Stellar Magnetic Fields
位场源面(PFSS)方程是模拟太阳和其他恒星日冕磁场的常用方程。与任何计算模型一样,使用数值方案求解方程会由于离散化而引入误差。我们提出了一套测试量化这些错误,利用PFSS方程的解析解时,输入字段是成比例的一个单一的球谐函数。从球谐解出发,我们导出了通过三维磁场解追踪的磁场线的解析方程。我们建议这些作为一组标准的分析解决方案,所有PFSS求解器应进行测试,以量化其固有的错误。我们应用这些测试的pfsspy软件包,表明它重现球谐解以及轻微高估的无符号开放磁通量。它也是成功地再现解析场线方程,场线足迹的误差通常远小于一度。
2022-01-19 astro-ph.IM astro-ph.SR physics.space-ph
Sympathetic Solar Filament Eruptions on 2015 March 15
2015年3月15日的日冕物质抛射是迄今为止共同驱动第24个太阳活动周最大磁暴的两个事件之一,与交感暗条爆发有关。我们研究了参与喷发的不同细丝之间的关系。通过多波长观测和强迫磁场外推方法,确认了一种类似浪涌的小尺度暗条运动是引发暗条爆发的触发因素。当爆发的暗条移动到开放的磁场区域时,它经历了一个明显的加速过程,并伴随着C级耀斑和另一个最终未能爆发的更大暗条的上升。测量了背景磁场的衰减指数,其临界高度为118 Mm,结合位场源面外推法分析了大尺度磁场的分布,表明开放的磁场区可能为F2的快速加速提供了有利条件,并与最大的太阳风暴有一定的关系。成功和失败的暗条爆发之间的比较表明,封闭磁场在爆发的先决条件中起着重要的作用。
2016-08-04 astro-ph.SR
Modeling the Sun's open magnetic flux and the heliospheric current sheet
通过耦合太阳表面通量输运模型和日球外推场,利用1976年以来的太阳黑子群观测资料,模拟了太阳开口磁通量和日球电流片(HCS)的演化.结果与地球附近的行星际磁场的测量结果一致,并与HCS的倾斜角从外推的观测太阳表面场。这就有可能根据经验太阳黑子数据,对太阳的开放通量和过去的HCS进行改进重建。
2009-12-01 astro-ph.SR
The Minimal Helicity of Solar Coronal Magnetic Fields
位场外推法被广泛地用作太阳日冕磁场的最小能量模型。作为与其他磁场进行比较的参考,它们--根据任何合理的定义--都没有全局(符号)磁螺旋度。在这里,我们调查的内部拓扑结构,没有被捕获的整体螺旋积分,通过分裂成个人场线螺旋。这些计算使用位场外推从磁记录观测太阳周期24,以及一个简单的说明性模型的一个单一的双极区域的偶极背景。我们发现,局部补丁的场线螺旋度主要来自强活动区域和它们的叠加场之间的联系,使总的无符号螺旋度与光球和开放通量的产品相关。在每个活跃区域内,正螺旋度和负螺旋度可能是不平衡的,但有符号螺旋度只有无符号螺旋度的十分之一左右。有趣的是,在第24周,有一个明显的峰值,在无符号螺旋度造成的一个单一的大活动区。平均而言,总的无符号螺旋度在考虑的分辨率是大约两倍的典型的有符号螺旋度的一个真正的活动区域,根据非潜在的模型在文献中。
2020-07-21 astro-ph.SR
Chromospheric magnetic field: A comparison of He I 10830 A observations with nonlinear force-free field extrapolation
非线性无力场(NLFFF)模型已被广泛应用于日冕三维磁场的研究。NLFFF外推法中的一个假设是等离子体β很低,但在光球层中这种情况被认为是不正确的。我们检查直接测量的色球磁场在两个活跃的地区,通过分光偏振观测在He I 10830 A,这是比较的潜在领域和NLFFF外推的光球。比较允许定量估计的不确定性在NLFFF外推从光球。我们的分析表明,观测到的色球磁场可能比光球磁场具有更大的无势性。此外,在色球高度的大的非潜在性可能不会被复制的NLFFF从光球磁场外推。色球高度上的非势的低估幅度在某些位置上可达30-40度的切变符号角。这种偏离可能是由于光球层中的非力自由所造成的。我们的研究表明,在NLFFF模型中加入测得的色球磁场对改进日冕外推的重要性。
2020-05-30 astro-ph.SR
Relative Alpha in the Magneto-Hydro-Dynamics (MHD) with open magnetic field boundary and its application to the solar eruption
本文提出了具有开放磁场边界的MHD不稳定性判据,通过线性无力场外推计算相对alpha系数,发现其能准确指示磁重联导致的磁能快速释放,并在太阳活动区耀斑预测中误差小于7%,为空间天气预报提供了定量评估不稳定性的有效方法。
2024-12-24 astro-ph.SR
Nonlinear force-free field extrapolation in spherical geometry: improved boundary data treatment applied to a SOLIS/VSM vector magnetogram
对太阳磁场的常规测量主要在光球层进行。因此,人们必须根据日冕无力的假设,从测量的光球场推断太阳大气高层的场强。同时,这些实测数据与上述无力假设不一致。因此,必须对这些数据进行一些变换,然后才能应用非线性无外力外推代码。用于模拟日冕磁场的日冕几何学外推代码没有考虑太阳表面的曲率,只能应用于相对较小的区域,例如,一个活跃的区域。本文应用最优化方法对球面几何中的非线性无力日冕磁场进行建模和光球矢量磁图的预处理,通过在太阳有限区域内最小化球面坐标中的泛函来求解非线性无力场方程。我们通过一个额外的术语扩展了功能,这允许将测量误差和治疗缺乏观测数据的区域。我们使用矢量磁像仪数据从天气光学长期调查的太阳巡天(SOLIS)模拟日冕磁场。我们研究了2009年5月15日观测到的两个相邻的磁连接活动区。对于具有可变测量精度和随机分散的数据间隙(例如,SOLIS/VSM)的新代码产生的场模型,满足螺线管和力的条件显着更好,因为它允许外推的边界场和观测的边界数据之间的偏差在测量误差。数据间隙被分配给无限大的错误。我们将这个新的方案推广到球面几何,并首次将其应用于实际数据。
2010-11-26 astro-ph.SR
Magnetic field topology from non-force free extrapolation and magnetohydrodynamic simulation of its eventual dynamics
不同磁场线拓扑结构的磁重联被认为是耀斑和日冕物质抛射等太阳爆发事件的起因。因此,重要的是一个彻底的理解和量化的MFL拓扑结构和它们的演变,导致MR。当代的标准是外推的日冕MFL使用平衡模型的日冕等离子体上的洛伦兹力是零无处不在,因为没有电流或电流是平行的磁场。在串联,非力自由场(NFFF)的外推方案已经发展,并允许洛伦兹力,这是非零的光球层,但渐进地消失的高度。本文报道了磁流体动力学(MHD)模拟启动的NFFF外推的日冕MFL的活动区NOAA 11158。有趣的是,准分界线层(QSL),这有利于MR检测外推MFL。AR 11158是耀斑产生源,本文试图评估QSL在耀斑爆发中的作用。
2018-04-13 astro-ph.SR
Exploring an X1.8 flare and associated quasi-periodic pulsations using SDO and Aditya-L1 observations, alongside NFFF extrapolation
Patna University(巴特那大学);National Institute of Technology Calicut(卡利卡特国家技术学院);Indian Institute of Astrophysics(印度天体物理研究所)
本文利用SDO和Aditya-L1数据及NFFF外推,研究了X1.8耀斑的触发及准周期脉动,发现磁通量绳、3D零点等特征及其重复磁重联是关键。
2026-10-07 astro-ph.SR
Empirical Optimization of the Source-Surface Height in the PFSS extrapolation
本研究利用2006-2023年数据优化PFSS外推中的源表面高度,发现其随太阳活动非单调变化,可由光球磁场强度和偶极参数共同表征。
2025-10-15 astro-ph.SR physics.space-ph
High-fidelity 3D Reconstruction of Solar Coronal Physics with the Updated CROBAR Method
Southwest Research Institute(西南研究所)
本文提出了一种改进的CROBAR方法,用于高保真太阳日冕物理的3D重建,并通过多视角数据验证其有效性。
2023-09-14 astro-ph.SR