周坤論 丁留貫2)? 王智偉 封莉

1)(南京信息工程大學(xué)空間天氣研究所,南京 210044)

2)(南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院,南京 210044)

3)(中國(guó)科學(xué)院暗物質(zhì)與空間天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210008)

1 引 言

日冕物質(zhì)拋射(coronal mass ejection,CME)是太陽(yáng)活動(dòng)的重要形式,能在短時(shí)間內(nèi)將巨大的磁化等離子體和磁通量拋射到太陽(yáng)風(fēng)中,是太陽(yáng)大氣中尺度最大的爆發(fā)現(xiàn)象.典型的 CME 爆發(fā)期間所釋放的能量約1029—1032爾格,伴隨多個(gè)波段電磁輻射增強(qiáng),同時(shí)會(huì)加速產(chǎn)生大量的太陽(yáng)高能粒子(solar energetic particle,SEP),如質(zhì)子、電子和重離子,能對(duì)地球空間環(huán)境造成強(qiáng)烈的擾動(dòng)和危害,嚴(yán)重威脅航空航天安全.

在太陽(yáng)爆發(fā)過程中當(dāng)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度超過背景Alfvén速度時(shí),就會(huì)在運(yùn)動(dòng)物質(zhì)前沿產(chǎn)生激波(快模激波)[1?4].此時(shí),在射電波段出現(xiàn)劇烈而且短促的流量增強(qiáng)的現(xiàn)象叫做太陽(yáng)射電暴,如II型射電暴,主要是由于激波加速的電子在局地等離子體頻率處產(chǎn)生的輻射所引起的,是用來(lái)判斷爆發(fā)活動(dòng)是否產(chǎn)生激波的重要依據(jù)[5,6].II型射電暴與日冕激波之間不是充分必要關(guān)系.通常認(rèn)為,II型射電暴的發(fā)生表征著存在日冕激波,但是反之不一定,這是由于II型射電暴的產(chǎn)生相對(duì)于日冕激波需要更苛刻的物理?xiàng)l件,比如需要大的壓縮比和馬赫數(shù)[7].

研究表明,日冕激波常伴隨米波II型射電暴而行星際激波常伴隨十米百米(deca-hectometric,DH)波II型射電暴[8,9].耀斑或其他源可以在低日冕驅(qū)動(dòng)激波并加速電子[10,11].Reiner等對(duì)17個(gè)富射電(radio-rich)事件進(jìn)行分析研究表明,由DH波段 II 型射電暴頻率漂移計(jì)算的激波速度與CME速度呈正相關(guān),而由米波II型射電暴計(jì)算的激波速度與CME速度無(wú)明顯相關(guān)[12].II型射電暴大部分產(chǎn)生于CME驅(qū)動(dòng)激波的前沿,也有部分事件中II型射電暴產(chǎn)生于CME激波的側(cè)翼與冕流相互作用區(qū)域.Maia等利用Nancy射電成像儀(NRH)觀測(cè)分析表明,米波II型射電暴的源靠近CME 前沿,且射電源與 CME 具有相同的速度[13].同時(shí),他們也指出米波射電頻移通常較弱,不易被射電頻譜儀觀測(cè)到.Bain利用射電成像及頻譜觀測(cè)研究表明,II型射電暴源處于等離子體團(tuán)熱核的前沿,但結(jié)果顯示激波速度大于等離子體團(tuán)的拋射速度[14].Reiner 等發(fā)現(xiàn),II型射電暴并不總是產(chǎn)生于激波頂部,也有可能在激波掃過的高密度冕流區(qū)產(chǎn)生[15].Cho 等人的統(tǒng)計(jì)工作和Feng 等人的事例分析都證實(shí)了這一點(diǎn)[16?18].冕流除了影響 II 型射電暴的產(chǎn)生,在激波傳播過程中也能影響II型射電暴在動(dòng)態(tài)頻譜中的形態(tài)[18,19].由于射電源空間位置不同,由II型射電頻譜反演得到的激波表觀速度與其驅(qū)動(dòng)源(如CME)的前沿速度會(huì)顯示出較大差異[17].

快速 CME 和慢速 CME 之間發(fā)生相互作用會(huì)導(dǎo)致II型射電暴的射電增強(qiáng)現(xiàn)象[20].Gopalswamy等人的研究都顯示,在CME相互作用過程中,II型射電暴增強(qiáng)可作為富太陽(yáng)高能粒子(SEP-rich)和貧太陽(yáng)高能粒子(SEP-poor)的重要信號(hào)[21].Ding等人的最新統(tǒng)計(jì)結(jié)果也進(jìn)一步應(yīng)驗(yàn)了Gopalswamy等人的結(jié)論.最近,Al-Hamadani等人對(duì)射電增強(qiáng)成因做了比較詳細(xì)的觀測(cè)研究,發(fā)現(xiàn)射電增強(qiáng)可分為5類,他們認(rèn)為當(dāng)II型射電暴與CME高度相符時(shí)射電增強(qiáng)主要原因是 CME 與先前 CME 或其殘留物質(zhì)發(fā)生相互作用,而II型射電暴高度明顯低于 CME 前沿高度情況下的射電增強(qiáng)則是由于CME 與冕流相互作用形成的[22].

激波是緩變型 SEP 事件產(chǎn)生的必要條件,研究高能粒子與激波或CME 屬性的關(guān)系則是SEP研究的關(guān)鍵問題之一.太陽(yáng)高能粒子事件的能量粒子峰值通量與CME的投影速度存在較強(qiáng)的正相關(guān),但分布比較分散[23].此研究中假設(shè)CME速度與激波速度相等,由于激波產(chǎn)生的位置不唯一,所以與CME速度比一定都相等.是否產(chǎn)生SEP事件也不能僅依據(jù)CME速度.例如,Shen等人研究就表明,由于日冕環(huán)境差異,快速CME僅產(chǎn)生較弱的激波且沒有產(chǎn)生SEP事件,伴隨較弱持續(xù)時(shí)間短的II型射電暴; 而另一個(gè)慢速CME產(chǎn)生了較強(qiáng)的激波并且產(chǎn)生了SEP 事件,伴隨持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的較強(qiáng)II型射電暴[24].這也顯示,相比CME速度而言,II型射電暴特性可更好地用來(lái)判斷SEP事件的產(chǎn)生與否.Gopalswamy等人的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示絕大部分伴隨跨越米波-百米波的II型射電暴與SEP事件相關(guān),而少部分無(wú)SEP事件伴隨的事件可能和源區(qū)與地球磁聯(lián)接不好有關(guān)[25].Winter等人研究也表明所有峰值大于15 pfu的大SEP事件全部伴隨DH II型射電暴[26].此外,有研究表明,存在少數(shù)較小的SEP事件觀測(cè)不到明顯的II型射電暴伴隨[27].由于源區(qū)位置的原因,多衛(wèi)星多經(jīng)度聯(lián)合SEP觀測(cè)和射電觀測(cè)可在一定程度上降低由于磁聯(lián)接不好而造成的事件遺漏情況.

本文主要對(duì)2007年至2015年期間的77個(gè)DH II型射電暴的頻譜結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合,結(jié)合II型射電暴增強(qiáng),分析激波與CME、SEP等相關(guān)參數(shù)的關(guān)聯(lián),從而探索II型射電暴及射電增強(qiáng)信號(hào)在研究激波加速高能粒子過程中的作用.

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)源

本文基于CDAW數(shù)據(jù)庫(kù)(https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list/radio/waves_type2.html)Wind/WAVES DH II型射電暴列表,根據(jù)II型射電暴頻譜強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間,結(jié)合Wind/WAVES和STEREO/SWAVES頻譜觀測(cè)圖像,根據(jù)可清晰辨別出II型射電暴頻譜形態(tài)結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)篩選出第24太陽(yáng)活動(dòng)周以來(lái)(2007年至2015年)的81個(gè)DH II型射電暴候選事件.事件對(duì)應(yīng)CME速度、質(zhì)量、動(dòng)能、耀斑等級(jí)等相關(guān)參數(shù)均取自CDAW數(shù)據(jù)庫(kù).

本文中太陽(yáng)高能粒子數(shù)據(jù)主要采用25—60MeV的高能質(zhì)子數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來(lái)源于SOHO/COSTEP EPHIN[28]和STEREO-A(B)/HET[29].在處理SEP事件強(qiáng)度時(shí),我們采用文獻(xiàn)[21]和文獻(xiàn)[30]中的方法進(jìn)行處理,修正后的SOHO EPHIN通量峰值與STEREO-A(B)HET通量峰值中取最大值作為SEP事件的強(qiáng)度,并選擇0.0114(cm2·s·sr·MeV)–1作為SEP事件的判斷標(biāo)準(zhǔn).

2.2 II型射電暴處理方法

根據(jù)II型射電暴頻譜結(jié)構(gòu),基于不同日冕密度模型,對(duì)所有II型射電暴進(jìn)行擬合,反演得到II型射電暴對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)源激波的速度.本文主要采用文獻(xiàn)[31] Vr?nak和文獻(xiàn)[32] SPM兩種密度模型進(jìn)行擬合.如基頻和諧頻同時(shí)出現(xiàn),選取基頻作為擬合對(duì)象.根據(jù)II型射電暴的起始時(shí)間和太陽(yáng)爆發(fā)時(shí)間,確定與射電暴發(fā)對(duì)應(yīng)的CME及耀斑.通過選擇不同密度模型和不同密度倍數(shù),確定與CME速度最為匹配的激波速度[33?35].

圖1為典型的II型射電暴事例.圖1(a)、(c)分別為2013年10月25日和2014年08月28日觀測(cè)到的II型射電暴頻譜,基于Vr?nak密度模型和SPM密度模型及頻率與日冕密度關(guān)系,分別對(duì)事例中的頻譜漂移進(jìn)行擬合,假定在擬合高度內(nèi)激波速度為常數(shù)(即線性擬合),圖中白色虛線為最佳擬合結(jié)果.圖1(b)、(d)為基于密度模型假設(shè)擬合得到的激波高度-時(shí)間變化曲線,紅色點(diǎn)為與激波對(duì)應(yīng)的CME前沿高度-時(shí)間數(shù)據(jù),黑色實(shí)線為其線性擬合.圖1(b)中綠色實(shí)線為選取2倍Vr?nak密度模型擬合的結(jié)果,圖1(d)中藍(lán)色實(shí)線為選取2倍SPM密度模型擬合的結(jié)果,可以看出此時(shí)擬合的激波速度和其對(duì)應(yīng)CME速度符合較好.而這兩個(gè)事例采用另外一種密度模型則得不到較合理的結(jié)果,即激波高度時(shí)間曲線和CME高度時(shí)間曲線有交叉,或激波高度遠(yuǎn)小于CME高度.對(duì)于正常產(chǎn)生于激波前端的II型射電暴而言,考慮到頻率寬度和擬合誤差等因素,激波高度應(yīng)該和CME前沿高度差不多或略高一點(diǎn)較為合理.對(duì)于少部分產(chǎn)生于激波側(cè)翼的II型射電暴而言,擬合的激波高度則整體比CME前沿高度低; 在利用不同密度模型擬合時(shí),得不到與CME速度和高度符合的擬合結(jié)果或只能得到較低的激波徑向擬合速度.對(duì)于這部分事例另外分析,本文不做討論.

圖1 典型II型射電暴頻譜圖及所采用不同密度模型擬合激波高度-時(shí)間變化圖Fig.1.Spectrum diagram of a typical type-II radio burst and the linear fitting results of spectrum with different coronal density model.

在判別II型射電暴有無(wú)射電增強(qiáng)方面,我們參照文獻(xiàn)[20]和文獻(xiàn)[21]的射電增強(qiáng)事例,采用人工識(shí)別方法判斷II型射電暴有無(wú)明顯射電增強(qiáng),并結(jié)合在此增強(qiáng)時(shí)間內(nèi)有無(wú)相鄰CME相互作用進(jìn)行甄別.如圖1(c)中顯示II型射電暴在持續(xù)時(shí)間內(nèi)射電暴頻譜有明顯增強(qiáng)現(xiàn)象.

2.3 事件篩選

如一個(gè)II型射電暴在Wind/WAVES和STEREO/SWAVES同時(shí)被觀測(cè)到,我們選取擬合速度與CME速度最接近的那一個(gè)作為此事例的激波速度.所有81個(gè)候選事件的擬合激波速度與相應(yīng)CME速度的關(guān)系如圖2.圖2(a)為所有候選事件擬合激波速度與CME速度之間的關(guān)系.從所有事件的分布來(lái)看,有4個(gè)事件的擬合速度明顯低于CME速度(異常事件),而絕大部分事件的擬合速度基本等于或大于CME速度(正常事件).我們對(duì)速度符合較好的事件進(jìn)行線性擬合,相關(guān)系數(shù)為0.99,線性擬合(藍(lán)色實(shí)線)斜率為0.99,整體略高于1: 1線(黑色虛線),符合激波速度接近CME速度而激波前沿高度略高于CME前沿速度的事實(shí).如考慮4個(gè)異常事件,則相關(guān)系數(shù)降為0.93,線性擬合線與1: 1線交叉.圖2(b)為II型射電暴持續(xù)時(shí)間內(nèi)擬合激波速度與CME速度差的分布圖,4個(gè)異常事件和正常事件均值分別為–662.75 km/s和47.7 km/s,表明本研究中正常事件的激波速度平均比CME速度快約48 km/s.

一般而言,II型射電暴的起始頻率平均為99 MHz,起始高度平均在1.8 Rs左右(以起始時(shí)刻CME高度計(jì)算)[25].Mittal等對(duì)DH II型射電暴的起始頻率統(tǒng)計(jì),其中85%的事件起始頻率處于1—14 MHz之間,平均約為11 MHz,起始高度2.2—4.5 Rs[36].本文所選研究對(duì)象為DH波段的II型射電暴,起始頻率最高只能識(shí)別到16 MHz,對(duì)于部分起始于米波波段的事例可能存在起始時(shí)刻偏晚或起始頻率偏低的情況.參考Mittal等的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,這部分事例最多占15%左右,對(duì)本文的統(tǒng)計(jì)分析不會(huì)產(chǎn)生很大的影響.本文中選擇II型射電暴在DH波段的開始時(shí)刻作為該射電暴的起始時(shí)刻.

圖2 (a)81個(gè)候選事件擬合激波速度與CME速度之間的關(guān)系.藍(lán)色圈代表激波速度與CME速度相符事件,紅色三角代表擬合激波速度遠(yuǎn)小于CME速度事件,黑色實(shí)線是所有事件的線性擬合,藍(lán)色實(shí)線是所有相符事件的線性擬合;(b)擬合激波速度與CME速度之差的統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.2.(a)Scatter plot of fitting shock speed and CME speed for all 81 candidate events.The blue circle represents the shock speed coincides with the CME speed event,the red triangle represents the events that the fitting shock speed is much smaller than the CME speed,the black solid line is the linear fit of all events,and the blue solid line is the linear fit of all 77 coincident or normal events.(b)Distribution of the speed difference between shock speed and CME speed.

圖3(a)為所有事件II型射電暴起始時(shí)刻激波高度隨CME高度變化關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.81.藍(lán)色圈是正常事件,紅色三角圈是異常事件.若只考慮正常事件,相關(guān)系數(shù)為0.92.從線性擬合來(lái)看,擬合線非常接近于1:1線,表明激波高度與CME高度相當(dāng),這一結(jié)果與文獻(xiàn)[21]的研究結(jié)果一致.由圖3(b)可以看出,正常事件中激波平均起始高度略高于CME高度(0.43 Rs),此結(jié)論符合CME鼻區(qū)前沿驅(qū)動(dòng)激波的物理圖像,此高度差即為激波脫體距離(standoff distance).而異常事件的平均高度差為–3.5 Rs,也就是說激波產(chǎn)生II型射電暴的高度低于CME前沿高度,這種情況通常在激波與冕流相互作用時(shí)發(fā)生[16?17].結(jié)合擬合激波速度和起始高度與CME速度和高度的差異,我們后面的分析中暫不考慮異常事件.

根據(jù)以上方法我們選取了共77個(gè)擬合激波速度、起始高度與CME相符的事例作為以下統(tǒng)計(jì)研究的樣本事件.其中,伴隨射電增強(qiáng)的事件有34個(gè),無(wú)射電增強(qiáng)的事件有43個(gè); 產(chǎn)生SEP事件的有54個(gè),無(wú)SEP事件伴隨的有23個(gè).下面我們主要基于這些樣本事例分析射電增強(qiáng)與否對(duì)激波屬性與CME的關(guān)聯(lián)、激波加速SEP等的影響.

圖3 所有候選事件DH II型射電暴起始時(shí)刻激波高度與CME高度之間的關(guān)系.(a)藍(lán)色圈是正常事件,紅色三角是異常事件,黑色實(shí)線是所有事件的擬合線,藍(lán)色實(shí)線是正常事件起始高度的擬合線,黑色虛線斜率為1.(b)DH II型射電暴起始時(shí)刻激波高度與CME高度差的直方圖,藍(lán)色條為正常事件,紅色條為異常事件Fig.3.Scatter plot of shock height and CME height at the onset of type IIs radio burst for all 81 candidate events.(a)The blue circle is a normal event,the red triangle is an abnormal event,the black solid line is the fitted line for all events,the blue solid line is the fitted line for the normal event start height,and the black dotted line slope is 1.(b)histogram of the difference between the shock height and the CME height at the start of the type IIs radio burst.The blue bar is a normal event and the red bar is an abnormal event.

3 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.1 激波速度與CME參數(shù)的關(guān)系

圖4(a)顯示激波速度和CME速度的關(guān)聯(lián),可以看到射電增強(qiáng)與否對(duì)于這兩者之間的相關(guān)性無(wú)明顯的影響.射電增強(qiáng)與無(wú)射電增強(qiáng)事例的激波-CME速度相關(guān)系數(shù)分別為0.993和0.986,相關(guān)性非常高,且擬合直線的斜率分別為0.95和1.04.這個(gè)關(guān)系說明CME驅(qū)動(dòng)激波主要是由于CME速度和周圍等離子的Alfvén波速度確定的,且激波速度基本與CME速度基本相當(dāng); 而射電增強(qiáng)表明激波強(qiáng)度增加,這與周圍等離子體環(huán)境有關(guān),產(chǎn)生射電輻射的源增強(qiáng),不影響激波的速度.圖4(b)顯示了射電增強(qiáng)事件與無(wú)射電增強(qiáng)事件的CME速度差異.射電增強(qiáng)事件的CME平均速度為1316.47 km/s,而無(wú)射電增強(qiáng)事件的CME平均速度為919.02 km/s,兩者表現(xiàn)出明顯的差異.結(jié)果表明,在有II型射電暴產(chǎn)生的CME中,有射電增強(qiáng)的CME速度通常大于無(wú)射電增強(qiáng)的CME,或速度快的CME更容易產(chǎn)生II型射電暴增強(qiáng),這與文獻(xiàn)[21]的研究結(jié)果一致.

圖5顯示了DH II型射電暴起始時(shí)刻激波高度和CME前沿高度的分布.可以看到開始產(chǎn)生II型射電暴的高度主要分布在10 Rs以下.有射電增強(qiáng)事件的激波起始高度平均為5.09 Rs,而無(wú)射電增強(qiáng)事件的激波起始高度平均為3.81 Rs.DH II型射電暴起始時(shí)刻,有射電增強(qiáng)的CME前沿高度均值為4.41 Rs,而無(wú)射電增強(qiáng)為3.58 Rs,與Mittal等的統(tǒng)計(jì)結(jié)果2.2—4.5 Rs相符[36].CME高度低于激波高度,符合CME驅(qū)動(dòng)激波在鼻區(qū)產(chǎn)生II型射電輻射的圖像.結(jié)果顯示,有無(wú)射電增強(qiáng)情況加,激波起始高度存在表達(dá)差異,射電增強(qiáng)事件的激波起始高度通常大于無(wú)射電增強(qiáng)事件.

激波面至CME前沿之間的區(qū)域?yàn)榍蕦?它們之間的距離稱之為激波脫體距離[33],如圖3中的Hshock–HCME可用來(lái)表示這個(gè)距離.為了進(jìn)一步研究激波脫體距離隨CME高度變化關(guān)系,我們選取了五個(gè)CME高度3.5 Rs、4.0 Rs、5.0 Rs、10 Rs、15 Rs,分析這幾個(gè)高度上激波脫體距離的變化規(guī)律.其中,激波高度和CME高度均根據(jù)高度時(shí)間擬合線計(jì)算得到.圖6(a)顯示了不同速度區(qū)間內(nèi)平均脫體距離的分布.結(jié)果顯示,在每個(gè)CME速度區(qū)間內(nèi),激波脫體距離基本隨CME高度變大而變大.但激波脫體距離隨CME速度變化關(guān)系則在低高度和高高度上出現(xiàn)截然相反的變化規(guī)律,在較小的CME高度上(如3.5 Rs、4 Rs、5 Rs),CME速度越大,脫體距離越大; 而當(dāng)CME到達(dá)較大高度時(shí)(如10 Rs、15 Rs),速度較慢的CME對(duì)應(yīng)的激波脫體距離反而越小,這與Mujiber Rahman等對(duì)行星際1 AU處的激波脫體距離的研究結(jié)果一致[37].當(dāng)然,激波脫體距離不僅跟CME的速度有關(guān),還跟激波的壓縮比、馬赫數(shù)、等離子體比熱等有關(guān).圖6(b)顯示了不同CME高度上激波脫體距離的變化.可以看出,隨著CME高度越高,激波脫體距離越大,當(dāng)?shù)竭_(dá)行星際1 AU附近時(shí),這個(gè)平均距離可達(dá)到29 Rs左右[37].

圖4 有無(wú)射電增強(qiáng)對(duì)激波速度與CME速度關(guān)系的影響Fig.4.Difference between groups of radio enhancement and of no radio enhancement on shock speed and CME speed for normal events.

圖5 DH II型射電暴起始時(shí)刻(a)激波高度和(b)CME前沿高度的統(tǒng)計(jì)直方圖.藍(lán)色為有射電增強(qiáng)的事件,紅色為無(wú)射電增強(qiáng)的事件Fig.5.Statistical histogram of the shock height and the CME leading edge height at the start time of DH type II radio bursts for normal events.Blue is an event with radio enhancement,and red is an event with no radio enhancement.

圖7(a)為DH II型射電暴對(duì)應(yīng)激波速度與CME質(zhì)量的相關(guān)關(guān)系.激波速度和CME質(zhì)量呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.65; 其中對(duì)于射電增強(qiáng)事件,相關(guān)系數(shù)明顯高于無(wú)射電增強(qiáng)事件(0.74 > 0.51).圖7(b)為DH II型射電暴對(duì)應(yīng)激波速度與CME動(dòng)能的相關(guān)關(guān)系.激波速度與CME動(dòng)能之間存在很強(qiáng)的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9.對(duì)于有射電增強(qiáng)的事件,其相關(guān)系數(shù)略高于無(wú)射電增強(qiáng)的事件(0.91 > 0.85).從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,激波速度與CME質(zhì)量、動(dòng)能之間都存在明顯的正相關(guān)關(guān)系,但與動(dòng)能的相關(guān)性明顯高于質(zhì)量.也就是說,CME質(zhì)量和動(dòng)能兩者中,CME動(dòng)能更能決定其驅(qū)動(dòng)激波的速度.總體而言,CME質(zhì)量越大、動(dòng)能越大就越容易產(chǎn)生速度快的日冕激波.此外,有射電增強(qiáng)事件中的激波速度與CME質(zhì)量、動(dòng)能的相關(guān)性都明顯高于無(wú)射電增強(qiáng)的事件.

圖6 激波脫體距離隨CME高度變化統(tǒng)計(jì)圖Fig.6.The histogram of the standoff distances as a function of CME heights.

圖7 (a)激波速度與CME質(zhì)量的相關(guān)性,(b)激波速度與CME動(dòng)能的關(guān)系.藍(lán)色圈為有射電增強(qiáng)的事件,紅色圈為無(wú)射電增強(qiáng)的事件,黑色虛線為所有事件的擬合線,藍(lán)色虛線為有射電增強(qiáng)事件的線性擬合,紅色虛線為無(wú)射電增強(qiáng)事件的線性擬合Fig.7.Scatter plot of shock speed and CME mass、kinetic energy for normal events.The blue circle is an event with enhanced radio enhancement,the red circle is an event with no radio enhancement,the black dotted line is the fitted line for all events,the blue dashed line is a linear fit result for radio-enhanced events,and the red dashed line is a linear fit result for no radio-enhanced events.

圖8顯示了激波速度與耀斑等級(jí)的相關(guān)性.所有事件激波速度和耀斑等級(jí)的相關(guān)系數(shù)為0.47,有射電增強(qiáng)的為0.49,無(wú)射電增強(qiáng)的為0.32.可以看出,激波速度與對(duì)應(yīng)CME爆發(fā)伴隨耀斑的等級(jí)之間呈現(xiàn)弱相關(guān),明顯低于與CME速度、質(zhì)量、動(dòng)能的相關(guān)性.這也從另一個(gè)方面顯示了本文所分析II型射電暴對(duì)應(yīng)的激波都是由CME驅(qū)動(dòng)的.

3.2 DH II型射電暴持續(xù)時(shí)間分析

圖8 激波速度與耀斑等級(jí)的相關(guān)性,藍(lán)色圈為有射電增強(qiáng)的事件,紅色圈為無(wú)射電增強(qiáng)的事件,黑色虛線為所有事件的線性擬合,藍(lán)色虛線為有射電增強(qiáng)事件的線性擬合,紅色虛線為無(wú)射電增強(qiáng)的線性擬合.Fig.8.Scatter plot between shock speed and flare class for normal events,blue circle for radio-enhanced events,red circle for no radio-enhanced events,black dashed line for linear fitting of all events,and blue dashed line is a linear fit for radio-enhanced events,the red dashed line is a linear fit for no radio enhancement events.

圖9顯示了II型射電暴在DH波段內(nèi)的持續(xù)時(shí)間與CME速度、質(zhì)量、能量的關(guān)系,其中持續(xù)時(shí)間是指在DH波段內(nèi)II型射電暴從開始到最后結(jié)束的時(shí)間間隔.需要說明的是,如果II型射電暴開始于米波波段,則本文中持續(xù)時(shí)間將比II型射電暴的實(shí)際持續(xù)時(shí)間要短一些.從圖9中可以看出,射電暴持續(xù)時(shí)間與CME的三個(gè)參數(shù)之間無(wú)明顯的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)僅為0.41、0.39、0.33.這與Mittal等的統(tǒng)計(jì)結(jié)果類似[36],但若按有無(wú)射電增強(qiáng)對(duì)事件進(jìn)行分類,則相關(guān)關(guān)系呈現(xiàn)明顯的差異.有射電增強(qiáng)的事件II型射電暴持續(xù)時(shí)間與CME速度、質(zhì)量、能量呈弱的負(fù)相關(guān)或無(wú)明顯相關(guān),而無(wú)射電增強(qiáng)的事件的II型射電暴持續(xù)時(shí)間與CME速度、質(zhì)量、能量之間呈現(xiàn)正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.50、0.44和0.55.一般而言,CME速度越快、質(zhì)量越大、動(dòng)能越大,其驅(qū)動(dòng)激波所激發(fā)的II型射電暴的持續(xù)時(shí)間也就越長(zhǎng),正如圖中無(wú)射電增強(qiáng)事件顯示的關(guān)系.而若存在射電增強(qiáng),則由射電增強(qiáng)的機(jī)理可知在CME傳播的過程中存在與其他CME相互作用的可能[21].由于與其他CME的相互作用,從而改變了射電持續(xù)時(shí)間與CME速度、質(zhì)量、動(dòng)能的關(guān)系,變得無(wú)明顯相關(guān).

圖9 DH II型射電暴持續(xù)時(shí)間與CME速度(a)、質(zhì)量(b)和動(dòng)能(c)的相關(guān)性,藍(lán)色圈為有射電增強(qiáng)的事件,紅色圈為無(wú)射電增強(qiáng)的事件.黑色虛線為所有事件的線性擬合,藍(lán)色虛線為有射電增強(qiáng)事件的線性擬合,紅色虛線為無(wú)射電增強(qiáng)的線性擬合Fig.9.Scatter plot of DH type II radio burst duration and CME speed(a),CME mass(b)and CME kinetic energy(c)for normal events.The blue circle is an event with radio enhancement,and the red circle is an event with no radio enhancement.The black dashed line is a linear fit for all events,the blue dashed line is a linear fit for radio-enhanced events,and the red dashed line is a linear fit for no radio-enhancement events.

3.3 太陽(yáng)高能粒子分析

為驗(yàn)證射電增強(qiáng)是否與SEP事件有關(guān),我們對(duì)有無(wú)射電增強(qiáng)情況下SEP事件的伴隨情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),如圖10.圖10(a)為34個(gè)有射電增強(qiáng)的事件,其中大SEP事件占67.60%,小SEP事件占5.90%,無(wú)SEP事件伴隨的占26.50%.圖10(b)為43個(gè)無(wú)射電增強(qiáng)的事件,其中大SEP事件占37.20%,小SEP事件占30.2%,無(wú)SEP事件占32.6%.統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,不管是有射電增強(qiáng)還是無(wú)射電增強(qiáng),有II型射電暴的伴隨的CME產(chǎn)生SEP事件的比例都達(dá)到60%以上.這可以理解為,II型射電暴的發(fā)生反映有激波產(chǎn)生,CME一旦驅(qū)動(dòng)形成激波就很容易加速粒子產(chǎn)生SEP事件.單從產(chǎn)生SEP的角度看,有射電增強(qiáng)和無(wú)射電增強(qiáng)無(wú)明顯差別.但是,如果看大SEP時(shí)間的產(chǎn)生比例,則有射電增強(qiáng)的事件中產(chǎn)生大SEP事件的比例約為無(wú)射電增強(qiáng)事件的兩倍.這一結(jié)果表明,有射電增強(qiáng)的II型射電暴事件更容易有大SEP事件伴隨,其驅(qū)動(dòng)的激波更容易加速產(chǎn)生大的SEP事件,這一結(jié)論與文獻(xiàn)[13]的一致.這可以理解為,伴隨射電增強(qiáng)的事件其驅(qū)動(dòng)的激波更強(qiáng),且射電增強(qiáng)經(jīng)常在與其他CME(如先行CME)相互作用時(shí)產(chǎn)生,具有更多的種子粒子,自然也就更容易加速產(chǎn)生大SEP事件.

圖11(a)為SEP事件通量峰值與激波速度的相關(guān)關(guān)系,兩者呈現(xiàn)正相關(guān).所有事件、有無(wú)射電增強(qiáng)事件的相關(guān)系數(shù)分別為0.65、0.68、0.47.圖11(b)為有無(wú)SEP事件的激波速度分布情況,產(chǎn)生SEP事件的激波平均速度(1234.13 km/s)明顯大于未產(chǎn)生SEP事件的激波速度(926.43 km/s).這一結(jié)論表明,有II型射電暴伴隨的CME爆發(fā),其驅(qū)動(dòng)的激波速度越快,就越容易產(chǎn)生SEP事件.

圖10 (a)有射電增強(qiáng)和(b)無(wú)射電增強(qiáng)的事件中大SEP、小SEP和無(wú)SEP事件所占百分比.藍(lán)、綠、紅分別代表大SEP、小SEP和無(wú)SEP事件Fig.10.Percentage of large SEP,small SEP,and no SEP events with(a)or without(b)radio-enhancement for normal events.Blue,green,and red respectively represent large SEP,small SEP,and no SEP events.

4 結(jié)果與討論

本文結(jié)合多衛(wèi)星觀測(cè)資料,主要分析了第24太陽(yáng)活動(dòng)周2007年1月至2015年12月能在射電頻譜觀測(cè)上清晰識(shí)別出II型射電暴的77個(gè)事件.采用Vr?nak和SPM密度模型對(duì)II型射電暴進(jìn)行擬合,計(jì)算其對(duì)應(yīng)激波速度.通過分析激波參數(shù)與CME、SEP參數(shù)的相關(guān)關(guān)系,探討射電增強(qiáng)對(duì)他們的影響.主要得到以下結(jié)論:

1)由DH波段II型射電暴計(jì)算的激波速度與CME速度強(qiáng)相關(guān),此結(jié)果與Reiner等的一致[12],但相關(guān)系數(shù)更高.激波速度比CME速度略快.在II型射電暴起始時(shí)刻,激波高度比CME前沿高度略高一點(diǎn),此時(shí)激波脫體距離約0.4 Rs.激波脫體距離在低日冕和高日冕、行星際呈現(xiàn)截然相反的規(guī)律: 在低高度范圍,激波脫體距離基本隨CME速度增加而增大; 而當(dāng)CME傳播到較高范圍時(shí),激波脫體距離反而是在CME速度越較慢時(shí)較大,此結(jié)論與Mujiber Rahman等人1 AU附近的研究規(guī)律一致.此外,結(jié)果顯示激波脫體距離隨CME高度增加而增加.

圖11 (a)SEP事件峰值與激波速度的相關(guān)關(guān)系,黑色虛線為所有事件的線性擬合,藍(lán)色虛線為有射電增強(qiáng)事件的線性擬合,紅色虛線為無(wú)射電增強(qiáng)的線性擬合.(b)有無(wú)SEP事件的激波速度的統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.11.(a)Scatter plot between SEP event peak and shock speed for normal events.black dashed line is a linear fit for all events,blue dashed line is a linear fit for radio enhanced events,and red dashed line is a linear fit for no radio enhancement.(b)Statistical histogram of shock speed associated with or without SEP events for normal events.

2)射電增強(qiáng)事件對(duì)應(yīng)激波的速度和起始高度明顯高于無(wú)射電增強(qiáng)事件; 射電增強(qiáng)事件的激波速度與CME質(zhì)量、動(dòng)能的相關(guān)關(guān)系明顯好于無(wú)射電增強(qiáng)伴隨的事件.

3)相比射電增強(qiáng)事件,無(wú)射電增強(qiáng)事件的II射電暴持續(xù)時(shí)間與CME速度、質(zhì)量、動(dòng)能之間呈現(xiàn)正相關(guān).這可能與射電增強(qiáng)因素(如CME相互作用等)的干擾有關(guān).

4)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示II型射電暴事件產(chǎn)生SEP事件的比例達(dá)到60%以上; 其中,射電增強(qiáng)伴隨的II型射電暴(激波)事件更容易產(chǎn)生大SEP事件.表明,射電增強(qiáng)信號(hào)反映出實(shí)例中的激波更強(qiáng),其加速粒子的能力更強(qiáng),與其相互作用的CME可提供更多的種子粒子,自然粒子加速效率更高,更容易產(chǎn)生大SEP事件.這與文獻(xiàn)[21]的結(jié)論一致.結(jié)論表明,II型射電暴的射電增強(qiáng)可作為其驅(qū)動(dòng)源激波大概率產(chǎn)生大SEP事件的一個(gè)信號(hào).

感謝CDAW數(shù)據(jù)庫(kù)(https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list/radio/waves_type2.html)提供了DH II型射電暴、CME和耀斑的相關(guān)數(shù)據(jù),https://cdaweb.sci.gsfc.nasa.gov/index.html/網(wǎng)站提供了Wind/WAVES、STEREO/SWAVES頻譜觀測(cè)圖像和STEREO/HET儀器數(shù)據(jù),http://www.ieap.uni-kiel.de/et/ag-heber/costep/data.php網(wǎng)站提供了SOHO/EPHIN儀器數(shù)據(jù).