Compression of Solar Spectroscopic Observations: a Case Study of Mg II k Spectral Line Profiles Observed by NASA's IRIS Satellite
Viacheslav M Sadykov, Irina N Kitiashvili, Alberto Sainz Dalda, Vincent Oria, Alexander G Kosovichev, Egor Illarionov
备注：
6 pages, 3 figures, submitted to CBMI 2021 (Special session: Mining and indexing multimedia data for remote sensing of the environment and our changing planet)
在这项研究中，我们提取的深功能和调查的压缩Mg II K谱线的配置文件在安静的太阳地区所观察到的美国宇航局的IRIS卫星。用于分析的线轮廓数据集于2020年4月20日在太阳圆盘的中心获得，在数据清理后包含近30万个单独的Mg II k线轮廓。数据被分成训练和测试子集。该训练子集用于训练不同嵌入层尺寸的自动编码器。在测试子集上实施早期停止准则以防止模型过拟合。我们的研究结果表明，它是可能的，以压缩的谱线轮廓超过27倍（这对应于减少的数据维数从110到4），同时具有4 DN的平均重建误差，这是可比的线连续的变化。当嵌入层的维数从1增加到4时，偶数统计矩的均方误差和重建误差急剧减小，并且当维数更高时几乎停止减小。对于高于4的值，在训练中观察到的偶尔改进表明，如果使用其他训练策略和更长的训练时间，则可能获得更好的紧凑嵌入。关键四维情况下学习的功能可以解释。特别地，这四个特征中的三个分别主要控制线宽度、线不对称性和线倾角形成。所提出的结果是第一次尝试获得一个紧凑的嵌入光谱线轮廓，并确认这种方法的价值，特别是特征提取，数据压缩和去噪。
英文摘要：
In this study we extract the deep features and investigate the compression of the Mg II k spectral line profiles observed in quiet Sun regions by NASA's IRIS satellite. The data set of line profiles used for the analysis was obtained on April 20th, 2020, at the center of the solar disc, and contains almost 300,000 individual Mg II k line profiles after data cleaning. The data are separated into train and test subsets. The train subset was used to train the autoencoder of the varying embedding layer size. The early stopping criterion was implemented on the test subset to prevent the model from overfitting. Our results indicate that it is possible to compress the spectral line profiles more than 27 times (which corresponds to the reduction of the data dimensionality from 110 to 4) while having a 4 DN average reconstruction error, which is comparable to the variations in the line continuum. The mean squared error and the reconstruction error of even statistical moments sharply decrease when the dimensionality of the embedding layer increases from 1 to 4 and almost stop decreasing for higher numbers. The observed occasional improvements in training for values higher than 4 indicate that a better compact embedding may potentially be obtained if other training strategies and longer training times are used. The features learned for the critical four-dimensional case can be interpreted. In particular, three of these four features mainly control the line width, line asymmetry, and line dip formation respectively. The presented results are the first attempt to obtain a compact embedding for spectroscopic line profiles and confirm the value of this approach, in particular for feature extraction, data compression, and denoising.
High-resolution observations of the solar photosphere, chromosphere and transition region. A database of coordinated IRIS and SST observations
NASA的界面区域成像光谱仪（IRIS）通过紫外光谱和成像提供太阳大气的高分辨率观测。自2013年6月IRIS发射以来，我们与位于拉帕尔马的瑞典1米太阳望远镜协调开展了系统观测活动。SST提供了对光球层和色球层的补充性高分辨率观测。SST观测包括光球Fe I线的光谱偏振成像和色球Ca II 8542 A、H-α和Ca II K线的光谱分辨成像。我们提出了一个共同对齐的IRIS和SST数据集的数据库，该数据库对科学界开放供分析。该数据库涵盖了各种目标，包括活动区，太阳黑子，plage，安静的太阳和日冕洞。
The formation of IRIS diagnostics I. A quintessential model atom of Mg II and general formation properties of the Mg II h&k lines
NASA的界面区域成像光谱仪（IRIS）太空任务将研究太阳大气层是如何被激发的。IRIS包含一个成像摄谱仪，覆盖Mg II h&k线，以及一个以Mg II k为中心的狭缝式成像仪。理解观测结果需要从三维辐射-MHD模型中对Mg II h&k线的形成进行正演模拟。本文是我们进行这种正演模拟的系列文章中的第一篇。讨论了与h&k线形成有关的原子物理学，提出了一个可用于辐射转移计算的典型模型原子，讨论了部分再分布（PRD）和三维辐射转移对出射线轮廓的影响。我们的结论是，Mg II的H&K可以准确地模拟与4级加连续Mg II模型原子。理想情况下，辐射转移计算应在3D中进行，包括PRD效应。在实践中，这目前是不可能的。一个合理的折衷方案是使用1D PRD计算来模拟直到并包括中心发射峰的线轮廓，并使用3D传输（假设完全重新分布）来模拟中心凹陷。
The IRIS$^{2+}$ inversion tool: recovering the radiative losses and the thermodynamics in the lower solar atmosphere
Lockheed Martin Solar & Astrophysics Laboratory（洛克希德·马丁太阳与天体物理实验室）；Institute for Solar Physics, Dept. of Astronomy, Stockholm University（斯德哥尔摩大学天文学系太阳物理研究所）；Rosseland Center for Solar Physics, University of Oslo（奥斯陆大学罗森兰太阳物理中心）；Institute of Theoretical Astrophysics, University of Oslo（奥斯陆大学理论天体物理研究所）
The formation of IRIS diagnostics. III. Near-ultraviolet Spectra and Images
Mg II h&k线是NASA界面区成像光谱仪（IRIS）的主要色球诊断线。在本系列的前几篇论文中，我们使用了一个真实的三维辐射磁流体动力学模型来详细计算h&k线，并研究了它们的光谱特征与下垫面大气的关系。在这项工作中，我们采用相同的方法来研究如何H&K诊断票价时，考虑到有限分辨率的IRIS和不同的噪声水平。此外，我们调查的诊断潜力的其他几个光球线和近连续区域存在于近紫外（NUV）窗口的IRIS和研究的NUV缝颚图像的形成。我们发现IRIS的仪器分辨率对H&K诊断的质量影响很小，光谱特征与大气性质之间的关系基本不变。峰分离是最受影响的诊断，但主要是由于模拟的局限性。噪声的影响在信噪比（S/N）为20时开始变得明显，但我们表明，通过噪声滤波，至少可以在S/N为5时获得可靠的诊断。NUV窗口中的许多光球线提供了至少八个不同光球高度的速度信息。利用h&k远翼中的无谱线区域，我们得到了至少三个高度的光球温度的良好估计。这两种诊断，特别是后者，甚至可以在S/Ns低至5时获得。
Properties of chromospheric evaporation and plasma dynamics of a solar flare from IRIS observations
太阳耀斑色球热等离子体动力学是理解耀斑能量释放和粒子加速机制的关键。2014年6月12日的中等M1.0级耀斑（SOL 2014 -06- 12 T21：12）同时被NASA的界面区域成像光谱仪（IRIS），其他航天器和BBSO的新太阳望远镜（NST）观测到。本文介绍了我们的调查的第一部分集中在IRIS数据的分析。对IRIS不同谱线的观测资料进行分析，发现耀斑前色球物质中存在一个速度约为100 km/s的强红移喷流。强的非热发射的C II k 1334.5 A线，形成于色球-日冕过渡区，在脉冲阶段的开始时，在几个小的（与~1 arcsec的大小）点观察。还发现C Ⅱ k线在脉冲相之前、期间和之后都发生了跨越耀斑区的红移。Fe XXI 1354.1 A谱线中的热（1.1 MK）等离子体的积分发射峰在较低温度C II k的积分发射峰之后约5分钟被检测到。一个强大的蓝移的Fe XXI线在整个耀斑区域对应的热色球等离子体的蒸发流的速度为50公里/秒。对拉马迪高能太阳光谱成像仪（RHESSI）数据的进一步分析支持这样一种观点，即IRIS观测到的上色球层动态具有“温和”蒸发的特征，这是由加速电子和耀斑能量释放点的热通量加热太阳色球层驱动的。
The Formation of IRIS Diagnostics. IX. The Formation of the C I 135.58 Line in the Solar Atmosphere
C I 135.58谱线位于NASA接口区域成像光谱仪（IRIS）小型探测器任务的波长范围内。在这里，我们研究的形成和诊断潜力，这条线通过非本地热力学平衡建模，采用一维和三维辐射磁流体动力学模型。C I/C II电离平衡强烈地受到Ly-alpha发射的光电离的影响。在C I 135.58线的发射是由复合级联和线形成区域是光学厚占主导地位。谱线的多普勒频移与其谱线形成区的垂直速度密切相关，谱线形成区通常位于1.5 μ m高度。利用IRIS，CI 135.58线通常与O I 135.56线一起观测，从两条线的多普勒频移，我们得到两条线的线形成区之间的速度差。根据Cl/OI线芯强度的比值，我们可以确定Cl和OI形成层之间的距离。结合速度差，可以导出色球中层高度的速度梯度。C I/O I总强度线比与中色球层电子密度的倒数相关。我们的结论是，C I 135.58线本身是一个很好的中间色球层的探针，并与O I 135.56线一起提供更多的信息，这补充了其他强大的色球层诊断IRIS，如Mg II的h和k线和C II线约133.5 nm。
The Formation of IRIS Diagnostics. VII. The Formation of the OI 135.56 nm Line in the Solar Atmosphere
O I 135.56 nm谱线被NASA的界面区域成像光谱仪（IRIS）小型探测器任务所覆盖，该任务研究太阳大气层如何被激发。我们在这里研究的形成和诊断潜力，这条线的非LTE建模采用一维半经验和三维辐射磁流体动力学（RMHD）模型。我们研究的基本形成机制，并得出一个典型的模型原子，采用了必要的原子物理学的O I 135.56 nm线的形成。该原子模型有16个能级，并通过有效复合率描述了通过高激发能级的复合级联。电离平衡O I/O II通过电荷交换反应由氢电离平衡设定。在O I 135.56 nm线中的发射由复合级联主导，并且该线是光学薄的。最大发射的多普勒频移与其谱线形成区的垂直速度密切相关，谱线形成区通常位于1.0 - 1.5 μ m高度。线发射的总强度与电子密度的平方相关。由于O I 135.56 nm线在光学上很薄，因此发射线的宽度是非热速度的非常好的诊断。我们的结论是，O I 135.56 nm线是一个很好的探针的中间色球层，并恭维其他强大的色球层诊断IRIS，如Mg II的H & K线和C II线周围133.5 nm。
Using MHD simulations to model H-alpha and UV spectral lines for interpretation of IRIS and NST data
我们提出了H-α 6563 A和Mg II K&H 2796 A和2803 A线的非LTE建模结果。这个模型对于解释最近发射的美国宇航局IRIS任务和大熊太阳天文台的新太阳望远镜的协调观测非常重要。在用于非LTE建模的可用代码中，RH代码被选择为最适合于对线路轮廓进行建模。最合适的氢和镁原子模型是通过对代码进行多次测试来选择的。研究了电离度对谱线轮廓的影响。辐射MHD模拟的太阳大气，获得与彩虹代码，被用作输入数据的H-α和Mg II H&K线的合成光谱的计算随时间的特定位置。谱线的变化揭示了模拟结果中MHD波的存在。我们构造了不同波长谱线强度的振荡功率谱，并与模拟得到的大气参数随高度变化的功率谱进行了比较。我们发现在某些波长的线轮廓的强度的功率谱和大气参数的功率谱在这些波长的τ-统一高度之间的相关性。这些结果提供了一个新的诊断方法的色球振荡，然而，需要大量的数据来确认这些相关性。
The Formation of IRIS diagnostics. IV. The Mg II triplet lines as a new diagnostic for lower chromospheric heating
在h&k线周围的区域存在Mg II的三条次级线。在太阳光谱中，这些谱线主要出现在吸收谱线中，但在某些情况下也会变成发射谱线。这项工作的目的是研究这种三联体的形成，并调查它们可能带来的任何诊断价值。使用3D辐射磁流体动力学模拟安静的太阳和耀斑通量出现，我们合成光谱，并调查光谱特征如何响应底层大气。我们发现，发射线是罕见的，通常是由较低的色球（1500 K以上，电子密度高于10 $^{18}$ m $^{-3}$）的温度急剧上升。在这两种模拟中，谱线对柱质量>= 5 e-4 g cm $^{-2}$时发生的温度升高敏感。另外的信息也可以从峰翼比和谱线轮廓的形状中推断出来。使用NASA的界面区域成像光谱仪的观测结果，我们发现吸收和发射线轮廓与合成光谱具有相似的形状，这表明这些线代表了一个有用的诊断，补充了MgII h&k线。
Using Multiple Instance Learning for Explainable Solar Flare Prediction
Institute for Data Science, Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW)（西北瑞士应用科学与艺术大学数据科学研究所）
在这项工作中，我们利用弱标记的光谱数据集从美国宇航局IRIS卫星的预测太阳耀斑使用多实例学习（MIL）的范例。虽然标准的监督学习模型期望每个实例都有一个标签，但MIL放松了这一点，只考虑要标记的实例。这非常适合于使用IRIS数据进行耀斑预测，IRIS数据由沿仪器狭缝测量的紫外光谱袋的时间序列组成。特别是，我们认为读出窗口周围的Mg II H&K线，编码信息的太阳色球层的动态。我们的MIL模型不仅能够预测未来$\sim$ 25分钟内是否会发生耀斑，准确率约为90%，而且还能够解释哪些光谱轮廓对其袋级预测特别重要。这些信息可用于突出正在进行的IRIS观测中的实时感兴趣区域，并确定典型耀斑前兆光谱剖面的候选者。我们使用k-均值聚类来提取与耀斑预测相关的光谱轮廓组。恢复组显示高强度，三重红翼发射和单峰的H和K线，发现由以前的工作。它们似乎与小规模的爆炸事件有关，据报道，这些事件发生在耀斑爆发前几十分钟。
The formation of IRIS diagnostics II. The formation of the Mg II h&k lines in the solar atmosphere
美国宇航局的界面区域成像光谱仪（IRIS）小型探测器任务将研究太阳大气层是如何被激活的。IRIS包含一个成像摄谱仪，覆盖Mg II h&k线，以及一个以Mg II k为中心的狭缝式成像仪。了解的意见，需要从三维辐射MHD模型的Mg II H&K线形成的正演模拟。我们计算垂直出射的H&K强度从一个动态的三维辐射MHD模型的太阳大气的快照，并调查的诊断信息的大气中包含在合成线配置文件。我们发现，中心线低压的多普勒频移强烈相关的垂直速度在光学深度单位，这是典型的位于低于200公里的过渡区（TR）。通过结合h线和k线的多普勒频移，我们可以恢复TR正下方的速度梯度的符号。中心线凹陷的强度与地层高度相关，特别是在几平方微米的子场中。因此，该强度可用于测量过渡区高度的空间变化。线芯发射峰的强度与其形成高度处的温度相关，特别是对于强发射峰。因此，可以将峰值用作温度诊断。蓝色和红色峰值之间的波长差提供了对上部色球层中速度梯度的诊断。蓝峰和红峰的强度比与上色球层的平均速度密切相关。我们的结论是镁II的H&K线是很好的探针的非常上部色球层的过渡区，高度制度，是不可能探测与其他谱线。
An Interface Region Imaging Spectrograph first view on Solar Spicules
几十年来，太阳针状体一直困扰着建模者和观察者。自从发现能量更高的II型以来，针状体已经成为一个热门话题，但它们对太阳低层大气能量平衡的贡献仍然未知。在这里，我们第一次看到了什么安静的太阳针状物看起来像美国宇航局最近发射的界面区域成像光谱仪（IRIS）。使用IRIS光谱和过滤图，采样色球和过渡区，我们比较的性能和针状物的演变与日出和大气成像组件的协调运动中观察到的。我们的IRIS观测使我们能够跟踪II型针状体的热演化，并最终证实Ca II H针状体的褪色似乎是由快速加热到更高温度引起的。虹膜针状体不会消失，而是继续进化，在500-800秒后达到更高的高度并回落.因此，Ca II H II型针状体是剧烈和较热事件的初始阶段，在Ca II H过滤图中大多是不可见的。这些事件有非常不同的属性，从I型针状体，这表明较低的速度和没有从色球通带衰落。针状体的IRIS光谱显示出与它们的盘状对应物相同的特征，加强了早期的工作。来自光谱光栅的分光日像图也证实了安静的太阳针状体起源于磁网络的灌木丛中。我们的研究结果表明，II型针状体确实是沿着向上移动的针状等离子体的广泛部分的剧烈加热（至少过渡区的温度）的网站。
Multi-wavelength high-resolution observations of a small-scale emerging magnetic flux event and the chromospheric and coronal response
最先进的太阳仪器以前所未有的分辨率揭示了太阳的磁活动。大熊太阳天文台的1.6米新太阳望远镜的观测正在我们对太阳表面结构的理解中迈出下一步。颗粒尺度磁通量的出现和太阳大气的响应是其中的关键研究。作为与美国宇航局IRIS任务联合观测计划的一部分，NST在光球和色球波长上观测了活动区NOAA 11810。SDO和Hinode天基望远镜提供了补充数据。该区域显示了一组太阳孔，在其附近，我们检测到一个小规模的浮力水平磁通量管造成异常颗粒化和与预先存在的环境场在高层大气层的相互作用。随着变形颗粒的膨胀，我们观察到HeI数据中突然出现了一个扩展的激增。IRIS捕捉到了与HeI浪涌相关的热等离子体射流的喷射。SDO/HMI数据揭示了新兴的磁环状结构。Hinode/Ca II H和IRIS滤波图详细描述了太阳色球层下部新出现的磁场的连通性。从这些数据中，我们证实，新兴的通量管的方向几乎垂直于上覆的环境场。然而，新出现的磁场线与预先存在的上覆场的相互作用产生高温发射区域并促进浪涌/射流产生。在喘振/射流喷射的第一迹象之前和之后检测局部加热。我们将结果与之前的观察和理论模型进行比较，并提出了激活等离子体射流/浪涌和限制加热的场景。这一过程在日冕物质流和能量流中起着重要的作用。
Neutral Helium Triplet Spectroscopy of Quiescent Coronal Rain with Sensitivity Estimates for Spectropolarimetric Magnetic Field Diagnostics
由于其极化性和磁场敏感性，以及中性氦在部分电离太阳环境中的作用，中性氦三重态（orthohelium）系统提供了重要的，但未充分利用，诊断太阳日冕雨。这项工作描述了在NOAA活动区12468冠状雨的离边观测，在他我10830 $Å$三重获得使用大规模MultipleXed成像光谱仪实验在邓恩太阳望远镜以及从美国宇航局的太阳动力学观测和界面区域成像光谱仪的同时观测。我们在IRIS 1400 $Å$和2796 $Å$通道以及He I 10830 $Å$中同时探测雨。所有通道之间存在的空间相干性与以前观测到的日冕雨的多热性质一致。通过自动探测确定的He I谱廓线的统计分析表明，He I谱线辐射平均为$10^{4}$ ergs cm $^{-2}$ s $^{-1}$ sr $^{-1}$ ;平均平移速度为70 km s $^{-1}$，多普勒宽度分布在10 km s $^{-1}$左右。基于这些结果，预期He I极化信号的前向模型使我们能够使用合成观测值和反演算法（包括适合散射角约束材料沿视线的位置）来估计即将到来的美国国家科学基金会的Daniel K. Inouye太阳望远镜。我们预测联合观测的He I 10830 $Å$和5876 $Å$多重，使用第一光仪器，将提供反向磁场错误的$\pm3.5$ G（$2σ$）的空间尺度的$0.5''$（$\sim360$公里）假设动态有限的积分时间…
