云南天文臺(tái)太陽黑子照相觀測(cè)資料處理和相關(guān)軟件*

顧嘯馬，劉艷霄，葉惠蓮，林 雋

(中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011)

云南天文臺(tái)太陽黑子照相觀測(cè)資料處理和相關(guān)軟件*

顧嘯馬，劉艷霄，葉惠蓮，林 雋

(中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011)

在建立太陽全日面黑子照相觀測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)黑子觀測(cè)資料進(jìn)行了處理，給出黑子觀測(cè)的重要數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)，為太陽物理學(xué)家研究太陽活動(dòng)規(guī)律提供和積累最基本的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括：太陽黑子相對(duì)數(shù)，南北半球太陽黑子的坐標(biāo)和黑子群數(shù)，太陽黑子的圓面積和球面積等。編寫了一個(gè)程序，對(duì)每天的太陽黑子觀測(cè)資料進(jìn)行處理，給出以上物理參數(shù)，徹底改變了手工描繪黑子和計(jì)算黑子參數(shù)的傳統(tǒng)方法，同時(shí)也提高了黑子資料處理的精度和效率。

太陽黑子；觀測(cè)資料處理；數(shù)據(jù)處理軟件

云南天文臺(tái)全日面太陽黑子照相觀測(cè)系統(tǒng)的建立[1]，為進(jìn)行黑子常規(guī)觀測(cè)創(chuàng)造了(硬件)條件。在天氣條件允許的情況下，拍攝不同曝光時(shí)間的全日面黑子圖像，從中選取最好的一張作為數(shù)據(jù)處理對(duì)象。太陽黑子的常規(guī)觀測(cè)可以長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)黑子坐標(biāo)位置、黑子相對(duì)數(shù)、黑子面積等的變化。比如當(dāng)黑子群和黑子數(shù)目增多時(shí)，日面上其他各種活動(dòng)現(xiàn)象(如光斑、譜斑、日珥、暗條及耀斑等)也會(huì)增強(qiáng)[2]。黑子面積的變化也體現(xiàn)了太陽日面活動(dòng)的變化。因此，這些常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù)所獲取的物理量對(duì)于長(zhǎng)期研究太陽活動(dòng)周期變化和預(yù)測(cè)太陽活動(dòng)有著重要的意義。本文中，采用區(qū)域生長(zhǎng)法[3]識(shí)別黑子并計(jì)算黑子平面面積和球面面積，同時(shí)運(yùn)用Solar Soft Ware軟件包(SSW)和IDL軟件對(duì)太陽自轉(zhuǎn)軸、太陽經(jīng)緯度、太陽半徑、日心等物理參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

1 數(shù)據(jù)處理

利用云南天文臺(tái)太陽黑子望遠(yuǎn)鏡在2013年01月13日(觀測(cè)時(shí)間06∶08UT)獲取的資料進(jìn)行分析。首先去除噪聲。該數(shù)據(jù)中的噪聲主要來自于太陽黑子望遠(yuǎn)鏡鏡筒里面的灰塵，有些灰塵大小和拍攝之后的圖像中呈現(xiàn)的特征和黑子類似，很難辨認(rèn)。不過這些灰塵在每次拍攝太陽黑子像時(shí)由于快門振動(dòng)而不斷變換位置。所以，在連續(xù)拍攝過程中，可以判斷噪聲和黑子的區(qū)別，從而避開這些明顯的噪聲。確定圖像中的黑子之后，對(duì)圖像中的黑子進(jìn)行分群和編號(hào)，日面中心位置的確定等處理，在此基礎(chǔ)上繪制日面經(jīng)緯度網(wǎng)格圖，然后即可確定每個(gè)黑子(群)的日面位置。通過區(qū)域生長(zhǎng)法計(jì)算黑子(群)的像素?cái)?shù)并通過相關(guān)公式換算成黑子的圓面積和球面積。最后還計(jì)算了當(dāng)天太陽黑子相對(duì)數(shù)，然后將統(tǒng)計(jì)計(jì)算出來的黑子參數(shù)進(jìn)行匯總并列成表格。圖1是要處理的資料。

1.1 黑子分群及編號(hào)

運(yùn)用這種傳統(tǒng)的方法對(duì)黑子群進(jìn)行劃分并按黑子出現(xiàn)的先后順序給每個(gè)黑子群編號(hào)。例如，2013年01月01日新出現(xiàn)的第1個(gè)黑子編號(hào)為1，新出現(xiàn)第2個(gè)黑子編號(hào)為2，以此類推(這是云南天文臺(tái)自己的編號(hào))。這里需要說明的是由于黑子強(qiáng)度每天有不同的變化，有些小黑子今天出現(xiàn)，明天可能就消失，所以黑子分群不能完全依賴計(jì)算機(jī)判斷，在目前情況下還需要觀測(cè)者參與判定，有時(shí)難以給黑子群編號(hào)時(shí)需要參考前一兩天或后一兩天的觀測(cè)資料才能盡可能地給出合理的編號(hào)；例如一群黑子剛從東邊緣轉(zhuǎn)出時(shí)還無法判斷是一群還是兩群，要到第二或第三天才能看出它的全貌。

在處理的黑子圖像資料中能分辨的日面黑子可劃分為5個(gè)黑子群，按它們出現(xiàn)的次序分別編號(hào)為：11、12、14、15和16(如圖2)，其中11和12兩群黑子在日面南半球，14、15和16在日面北半球。

圖1 2013年1月13日觀測(cè)的太陽黑子圖像(06∶08 UT)

圖2 黑子分群和編號(hào)

1.2 日軸和日心位置的確定

計(jì)算機(jī)處理的誤差比人工方法要小得多，它跟計(jì)算方式有關(guān)(如大黑子以它的重心位置確定它的經(jīng)緯度值)，而P值由查表后內(nèi)插得到理論值，經(jīng)緯度計(jì)算的結(jié)果誤差很小，在精度要求不高的情況下可以不予考慮。天文年歷也給出了每天的B0值，有了P和B0即可給出日面經(jīng)緯度分布圖 (如圖3)。

1.3 黑子(群)日面位置

1.4 黑子面積計(jì)算

圖3 太陽經(jīng)緯度坐標(biāo)圖(經(jīng)加密后的經(jīng)緯度 網(wǎng)格圖，每網(wǎng)格代表)

黑子面積是通過區(qū)域生長(zhǎng)法，選取黑子中的一部分區(qū)域灰度的平均值(本影和半影)作為生長(zhǎng)的閾值，根據(jù)灰度近似的生長(zhǎng)準(zhǔn)則進(jìn)行生長(zhǎng)，獲取黑子面積在圖像中對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)。計(jì)算黑子面積時(shí)，沒有使用數(shù)據(jù)平滑方法，因?yàn)閿?shù)據(jù)平滑使黑子半影和光球背景的灰度更相近，這樣在使用區(qū)域生長(zhǎng)法時(shí)，增加了計(jì)算誤差和黑子面積的不確定性。沒有使用數(shù)據(jù)平滑的原始圖像，避免黑子半影和光球背景邊界更加模糊。然后根據(jù)以下公式計(jì)算黑子在太陽光球表面的圓面積A和球面積C：

A=a×n，

C=a×n×secθ，

其中a為黑子所包含的像素?cái)?shù)目；n為角分辨率的平方；ri為黑子所在區(qū)域內(nèi)第i個(gè)像素到日面中心的距離；R為太陽像的半徑。這里計(jì)算黑子球面積時(shí)采用逐個(gè)像素點(diǎn)的計(jì)算。將黑子圖像放大如圖4，算出的黑子面積是以太陽半球面積的百萬分之一為單位。

圖4 用于計(jì)算黑子面積的黑子放大圖像

1.5 黑子相對(duì)數(shù)計(jì)算

黑子相對(duì)數(shù)是表征太陽活動(dòng)強(qiáng)弱的指數(shù)之一。黑子相對(duì)數(shù)通常以R表示。數(shù)學(xué)表達(dá)式為

R=k(10g+f)，

其中，g為日面上黑子群的總?cè)簲?shù)，這組數(shù)據(jù)中g(shù)=5；f是黑子總個(gè)數(shù)；k為換算因子，它跟觀測(cè)者的經(jīng)驗(yàn)、熟悉程度及大氣質(zhì)量有關(guān)，通常以瑞士蘇黎世天文臺(tái)觀測(cè)給出的黑子相對(duì)數(shù)R值為標(biāo)準(zhǔn)，跟我們的R值作比較得到k值，它一般小于1，對(duì)于一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的觀測(cè)者而言，k值基本上是穩(wěn)定的。用照相觀測(cè)和計(jì)算機(jī)處理，不妨?xí)喝=1，經(jīng)過幾年觀測(cè)和蘇黎世天文臺(tái)結(jié)果對(duì)比后再做調(diào)整。因此，資料中對(duì)應(yīng)的黑子相對(duì)數(shù)R=57。

2 總 結(jié)

將經(jīng)以上方法處理得到的日面黑子資料，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1(其中緯度的正、負(fù)號(hào)分別表示該黑子位于北、南半球)：

表1 黑子數(shù)據(jù)匯總表

綜上所述，編制一定的計(jì)算程序用計(jì)算機(jī)處理黑子觀測(cè)資料改變了手工處理黑子資料的傳統(tǒng)方法，既能節(jié)省勞動(dòng)力，又能提高參數(shù)計(jì)算的效率和精度，這套計(jì)算程序可正常使用，每天處理一幅圖，只要將參數(shù)調(diào)整一下就可以處理另一天的觀測(cè)圖像，即可獲取另一天的黑子參量。但經(jīng)緯度在畫出(經(jīng)緯)網(wǎng)格后需由人工讀取，所以在目前情況下，還不能完全依賴計(jì)算機(jī)操作，在處理資料，特別在黑子分群中需要觀測(cè)者的參與和判斷，有時(shí)甚至要參考前后一兩天的黑子資料才能做出合理的分群判斷，這關(guān)系到黑子相對(duì)數(shù)的計(jì)算。因此，即使在用計(jì)算機(jī)和相應(yīng)軟件處理黑子觀測(cè)資料的情況下，除望遠(yuǎn)鏡保持清潔狀態(tài)外還要求觀測(cè)者具有一定的觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)和熟練的觀測(cè)技術(shù)，這是十分必要的。

[1] 顧嘯馬, 葉惠蓮, 林雋, 等. 云南天文臺(tái)全日面太陽黑子照相觀測(cè)系統(tǒng)的建立 I. 硬件部分[J]. 天文研究與技術(shù)——國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)刊, 2014, 11(2): 151-156. Gu Xiaoma, Ye Huilian, Lin Jun, et al. Building of a camera system for observation of the full solar disk with sunspots in the Yunnan Observatories I. hardware[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2014, 11(2): 151-156.

[2] 林元章. 太陽物理導(dǎo)論[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2000: 401-412.

[3] 劉艷霄, 楊云飛, 林雋. 太陽光球磁亮點(diǎn)的識(shí)別算法[J]. 天文研究與技術(shù)——國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)刊, 2014, 11(2): 145-150. Liu Yanxiao, Yang Yunfei, Lin Jun. A region-growth algorithm to recognize magnetic bright spots in the solar photosphere[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2014, 11(2): 145-150.

Data Reduction and Related Software for Photographic Observations of Sunspots in the Yunnan Observatories

Gu Xiaoma, Liu Yanxiao, Ye Huilian, Lin Jun

(Yunnan Observatories, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650011, China, Email: xmgu@ynao.ac.cn)

In this paper we present a data-reduction approach and related software for processing data of sunspots obtained from a photographic full-disk solar observation system established by us. When applied to data from our system the approach and software yield fundamental data and parameter values of sunspots, which can serve as the first-hand data to be accumulated and used by solar physicists to study underlying mechanisms of solar activities. The results of our data reduction include those of the relative sunspot numbers. sunspot-group numbers, sunspot locations, sunspot circular areas, sunspot surface areas, sunspot total areas, sunspot classifications, and distances from sunspots (or sunspot groups) to the solar center. As part of our data reduction we have incorporated a calculation program, which makes it possible to rapidly process daily sunspot data and give values of the mentioned parameters. Our approach may thus completely change the traditional method of manually handling photographic sunspot data, and greatly improve efficiencies of sunspot observation/data processing. It is still necessary for an observer to have certain observational experience and technical skill to use our approach, especially in grouping sunspots and evaluating group numbers.

Sunspot; Observational-data processing; Software of data processing

國(guó)家自然科學(xué)基金 (11333007；11273055)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃 (973計(jì)劃) (2011CB811403, 2013CBA01503)；中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)B類項(xiàng)目 (XDB09000000) 資助.

2014-12-28；修定日期：2015-01-28

顧嘯馬，男，研究員. 研究方向:太陽物理. Email: xmgu@ynao ac cn

P182.2

A

1672-7673(2015)04-0461-05

CN 53-1189/P ISSN 1672-7673