太陽(yáng)射電爆發(fā)精細(xì)結(jié)構(gòu)的剪切驅(qū)動(dòng)四極重聯(lián)模型解釋?zhuān)?/h1>
2021-01-29 07:37:34薛鈺黃沖
科技與創(chuàng)新 2021年2期
薛鈺，黃沖
（榆林學(xué)院，陜西 榆林 719000）
1 引言
太陽(yáng)射電Ⅲ型爆發(fā)是一種瞬時(shí)的太陽(yáng)射電輻射增強(qiáng)現(xiàn)象，在動(dòng)態(tài)頻譜上常常表現(xiàn)為由高頻向低頻快速漂移的寬帶射電信號(hào)。目前普遍認(rèn)為Ⅲ型爆發(fā)是高能粒子沿磁力線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中激發(fā)的等離子體輻射。本文所涉及的U 型和RS 型爆發(fā)為Ⅲ型爆發(fā)的變種和精細(xì)結(jié)構(gòu)。Ⅲ型爆發(fā)的精細(xì)結(jié)構(gòu)在診斷電子密度、高能電子速度、日冕大氣湍流、預(yù)報(bào)空間天氣等方面起到關(guān)鍵作用，因此這些精細(xì)結(jié)構(gòu)的形成原因多年來(lái)一直被關(guān)注。第24 太陽(yáng)活動(dòng)周峰年的X2.2 級(jí)耀斑爆發(fā)事件對(duì)研究這個(gè)模型很重要。較早的工作認(rèn)為非熱的太陽(yáng)射電爆發(fā)應(yīng)該發(fā)生在軟X 射線輻射峰值之前[1-2]，但在懷柔射電頻譜儀的觀測(cè)資料中發(fā)現(xiàn)存在軟X 射線輻射峰值之后的射電爆發(fā)事件。WANG 等[3]分析了2000-07-10 發(fā)生在活動(dòng)區(qū)NOAA 9077 中的M5.7 級(jí)耀斑事件的軟X 射線輻射峰值之后的射電延伸輻射。他們認(rèn)為，這些爆發(fā)由新的重聯(lián)過(guò)程產(chǎn)生，其觸發(fā)不僅有足點(diǎn)沿中性線剪切運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)，也有底環(huán)上浮運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)。位于懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地的太陽(yáng)射電寬帶動(dòng)態(tài)頻譜儀在2011-02-15X2.2 級(jí)耀斑的軟X 射線輻射峰值之后，在2.6～3.8 GHz 頻段上觀測(cè)到了兩組射電微波U 型和RS 型爆發(fā)。
本文首先給出了這兩組U 型和RS 型爆發(fā)的觀測(cè)特征，然后用剪切驅(qū)動(dòng)的四極重聯(lián)模型解釋了這種觀測(cè)形態(tài)的出現(xiàn)，最后給出分析結(jié)果。
2 觀測(cè)
2011-02-15 的X2.2 級(jí)耀斑發(fā)生在活動(dòng)區(qū)NOAA 11158。由GOES15 觀測(cè)到的軟X 射線輻射如圖1（底部）所示，耀斑在01：46 UT 左右開(kāi)始，在01：56：50 UT 達(dá)到峰值，之后進(jìn)入衰減相[4]。
圖1 微波流量與軟X 射線流量的時(shí)間輪廓[5]
懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地的太陽(yáng)射電寬帶動(dòng)態(tài)頻譜儀（Huairou/NAOC）提供了2.6～3.8 GHz 和5.2～7.6 GHz 頻段的太陽(yáng)射電爆發(fā)和精細(xì)結(jié)構(gòu)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。軟X 射線輻射峰值之后，在2.6～3.8 GHz 頻段觀測(cè)到了兩組U 和RS 型爆發(fā)。不失一般性，我們分別選取2.84 GHz 和7.20 GHz 作為頻段2.6～3.8 GHz 和5.2～7.6 GHz 的代表，用其流量時(shí)間輪廓來(lái)呈現(xiàn)兩個(gè)頻段的流量變化。圖1 中箭頭所指為兩組爆發(fā)的大概發(fā)生時(shí)間，豎直虛線與時(shí)間軸的交點(diǎn)為軟X 射線輻射峰值時(shí)刻。由此可見(jiàn)，軟X 射線輻射峰值之后，微波5.2～7.6 GHz流量基本單調(diào)減小，而微波2.6～3.8 GHz 流量出現(xiàn)了新的增強(qiáng)，并伴有復(fù)雜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。
圖2 給出兩組微波爆發(fā)的頻譜結(jié)構(gòu)，它們均為右旋圓偏振，偏振度接近100%。上下兩圖的時(shí)間軸長(zhǎng)度相等，均選取了4 158 個(gè)時(shí)間點(diǎn)，共4 158×8 ms=33.264 s。兩組爆發(fā)各包含2 個(gè)U 型爆發(fā)和2 個(gè)RS 型爆發(fā)，按時(shí)間順序分別標(biāo)記為第一組：RS1、U1、U2、RS2；第二組：U3、U4、RS3、RS4。由放大后的插圖可見(jiàn)，U2 和U4 各自由兩個(gè)連續(xù)的U型結(jié)構(gòu)組成。這些U 型和RS 型爆發(fā)的觀測(cè)特征值列于表1。
圖2 兩組微波爆發(fā)的頻譜圖[5]
根據(jù)表1，可以得到如下觀察特征。首先，對(duì)于U 型爆發(fā)，上升沿與下降沿的平均頻率漂移率比值約為3/4，RS 型爆發(fā)的平均頻率漂移率與U 型爆發(fā)下降沿相當(dāng)。其次，U 型爆發(fā)最低頻率（U 型結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)頻率）的平均值為2 765 MHz，RS 型爆發(fā)最低頻率的平均值為3 035 MHz。最后，U 型爆發(fā)的平均最大流量為892 sfu，約為RS 型爆發(fā)平均最大流量的4 倍。
表1 2011-02-15 微波U 型和RS 型爆發(fā)的觀測(cè)特征
3 SQR 模型
SQR 模型可以很好地解釋為什么會(huì)觀測(cè)到這樣的U 型和 RS 型爆發(fā)。ASCHWANDEN 等[6]提出的 SQR 模型包括兩個(gè)磁環(huán)，一個(gè)大磁環(huán)（較高）和一個(gè)小磁環(huán)（較低）。足點(diǎn)沿中性線的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致兩個(gè)磁環(huán)越來(lái)越靠近，直到觸發(fā)磁重聯(lián)。在此過(guò)程中，不同極性的足點(diǎn)重新組合聯(lián)接，最后稱(chēng)為另外兩個(gè)獨(dú)立的新磁環(huán)。為簡(jiǎn)化模型，我們考慮如圖3 所示的四條磁力線：重聯(lián)前的兩條磁力線記為大環(huán)（L+，L-）、小環(huán)（S+，S-），重聯(lián)后的兩條磁力線記為大環(huán)（L+，S-）、小環(huán)（S+，L-）。當(dāng)足點(diǎn)S-和L-沿著中性線移動(dòng)時(shí)，兩條磁力線會(huì)越來(lái)越靠近，直到它們?cè)谀骋粫r(shí)刻某一位置相交，這樣就觸發(fā)了X 型重聯(lián)，磁力線便會(huì)進(jìn)行重新組合。重聯(lián)點(diǎn)X 可能在小環(huán)（S+，S-）的頂點(diǎn)附近，新的磁力線曲率減小，所具有的能量狀態(tài)更低，磁能就會(huì)釋放出來(lái)[6]。
圖3 射電爆發(fā)在SQR 模型中的空間軌跡
圖3 中，兩個(gè)虛線箭頭分別對(duì)應(yīng)U 型爆發(fā)的上升沿和下降沿[6]，在重聯(lián)點(diǎn)X 附近，被加速的高能電子束將沿著磁力線運(yùn)動(dòng)并發(fā)出輻射。從X 點(diǎn)出發(fā)，沿閉合磁力線向上運(yùn)動(dòng)的電子束反映為U 型爆發(fā)，沿磁力線向下運(yùn)動(dòng)的電子束則反映為RS 型爆發(fā)。
4 理論分析
平均頻率漂移率可以體現(xiàn)磁環(huán)空間尺度的大小：頻率漂移越快，空間尺度越小；頻率漂移越慢，空間尺度越大。因此，我們可以根據(jù)表1 中U 型和RS 型爆發(fā)的平均頻率漂移率的值來(lái)比較兩個(gè)磁環(huán)的空間尺度。容易得到，兩個(gè)磁環(huán)的空間尺度基本相當(dāng)。較高的磁環(huán)的上升沿和下降沿尺度比約為4/3。
如果把活動(dòng)區(qū)的磁場(chǎng)近似為光球上方的一個(gè)偶極場(chǎng)，可通過(guò)（1）式估算出射電源的高度[3]：
式（1）中，偶極場(chǎng)深度d一般取3.5×104km[3]，光球磁場(chǎng)強(qiáng)度B0在該事件中可取為1 000 G[7]。將U 型和RS 型爆發(fā)的平均最低頻率代入式（1），可以得到兩個(gè)磁環(huán)的頂點(diǎn)高度分別約為9 300 km 和8 000 km。
在這個(gè)事件中，向上運(yùn)動(dòng)的電子束可以用U 型爆發(fā)探測(cè)到，向下運(yùn)動(dòng)的電子束可以用RS 型爆發(fā)探測(cè)到。一般情況下，越往上磁場(chǎng)強(qiáng)度越低，背景等離子體密度越小，更利于射電輻射的逃逸；反之，越往下磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，背景等離子體密度越大，越不利于射電輻射逃逸。因此，U 型爆發(fā)的流量密度應(yīng)大于RS 型爆發(fā)的流量密度，這與表1 中的觀測(cè)特征相符合。
5 結(jié)論
本研究可以得出以下結(jié)論：①兩個(gè)磁環(huán)的空間尺度基本相當(dāng)。對(duì)于較高的磁環(huán)，其上升沿尺度略大于下降沿尺度，比值約為4/3；②U 型爆發(fā)對(duì)應(yīng)的磁環(huán)頂點(diǎn)高度約為9 300 km，RS 型爆發(fā)對(duì)應(yīng)的磁環(huán)頂點(diǎn)高度約為8 000 km，二者相差約1 300 km；③U 型爆發(fā)的平均最大流量為892 sfu，約為RS 型爆發(fā)平均最大流量的4 倍。
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本文首先給出了這兩組U 型和RS 型爆發(fā)的觀測(cè)特征，然后用剪切驅(qū)動(dòng)的四極重聯(lián)模型解釋了這種觀測(cè)形態(tài)的出現(xiàn)，最后給出分析結(jié)果。
2 觀測(cè)
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圖1 微波流量與軟X 射線流量的時(shí)間輪廓[5]
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圖2 給出兩組微波爆發(fā)的頻譜結(jié)構(gòu)，它們均為右旋圓偏振，偏振度接近100%。上下兩圖的時(shí)間軸長(zhǎng)度相等，均選取了4 158 個(gè)時(shí)間點(diǎn)，共4 158×8 ms=33.264 s。兩組爆發(fā)各包含2 個(gè)U 型爆發(fā)和2 個(gè)RS 型爆發(fā)，按時(shí)間順序分別標(biāo)記為第一組：RS1、U1、U2、RS2；第二組：U3、U4、RS3、RS4。由放大后的插圖可見(jiàn)，U2 和U4 各自由兩個(gè)連續(xù)的U型結(jié)構(gòu)組成。這些U 型和RS 型爆發(fā)的觀測(cè)特征值列于表1。
圖2 兩組微波爆發(fā)的頻譜圖[5]
根據(jù)表1，可以得到如下觀察特征。首先，對(duì)于U 型爆發(fā)，上升沿與下降沿的平均頻率漂移率比值約為3/4，RS 型爆發(fā)的平均頻率漂移率與U 型爆發(fā)下降沿相當(dāng)。其次，U 型爆發(fā)最低頻率（U 型結(jié)構(gòu)反轉(zhuǎn)頻率）的平均值為2 765 MHz，RS 型爆發(fā)最低頻率的平均值為3 035 MHz。最后，U 型爆發(fā)的平均最大流量為892 sfu，約為RS 型爆發(fā)平均最大流量的4 倍。
表1 2011-02-15 微波U 型和RS 型爆發(fā)的觀測(cè)特征
3 SQR 模型
SQR 模型可以很好地解釋為什么會(huì)觀測(cè)到這樣的U 型和 RS 型爆發(fā)。ASCHWANDEN 等[6]提出的 SQR 模型包括兩個(gè)磁環(huán)，一個(gè)大磁環(huán)（較高）和一個(gè)小磁環(huán)（較低）。足點(diǎn)沿中性線的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致兩個(gè)磁環(huán)越來(lái)越靠近，直到觸發(fā)磁重聯(lián)。在此過(guò)程中，不同極性的足點(diǎn)重新組合聯(lián)接，最后稱(chēng)為另外兩個(gè)獨(dú)立的新磁環(huán)。為簡(jiǎn)化模型，我們考慮如圖3 所示的四條磁力線：重聯(lián)前的兩條磁力線記為大環(huán)（L+，L-）、小環(huán)（S+，S-），重聯(lián)后的兩條磁力線記為大環(huán)（L+，S-）、小環(huán)（S+，L-）。當(dāng)足點(diǎn)S-和L-沿著中性線移動(dòng)時(shí)，兩條磁力線會(huì)越來(lái)越靠近，直到它們?cè)谀骋粫r(shí)刻某一位置相交，這樣就觸發(fā)了X 型重聯(lián)，磁力線便會(huì)進(jìn)行重新組合。重聯(lián)點(diǎn)X 可能在小環(huán)（S+，S-）的頂點(diǎn)附近，新的磁力線曲率減小，所具有的能量狀態(tài)更低，磁能就會(huì)釋放出來(lái)[6]。
圖3 射電爆發(fā)在SQR 模型中的空間軌跡
圖3 中，兩個(gè)虛線箭頭分別對(duì)應(yīng)U 型爆發(fā)的上升沿和下降沿[6]，在重聯(lián)點(diǎn)X 附近，被加速的高能電子束將沿著磁力線運(yùn)動(dòng)并發(fā)出輻射。從X 點(diǎn)出發(fā)，沿閉合磁力線向上運(yùn)動(dòng)的電子束反映為U 型爆發(fā)，沿磁力線向下運(yùn)動(dòng)的電子束則反映為RS 型爆發(fā)。
4 理論分析
平均頻率漂移率可以體現(xiàn)磁環(huán)空間尺度的大小：頻率漂移越快，空間尺度越小；頻率漂移越慢，空間尺度越大。因此，我們可以根據(jù)表1 中U 型和RS 型爆發(fā)的平均頻率漂移率的值來(lái)比較兩個(gè)磁環(huán)的空間尺度。容易得到，兩個(gè)磁環(huán)的空間尺度基本相當(dāng)。較高的磁環(huán)的上升沿和下降沿尺度比約為4/3。
如果把活動(dòng)區(qū)的磁場(chǎng)近似為光球上方的一個(gè)偶極場(chǎng)，可通過(guò)（1）式估算出射電源的高度[3]：
式（1）中，偶極場(chǎng)深度d一般取3.5×104km[3]，光球磁場(chǎng)強(qiáng)度B0在該事件中可取為1 000 G[7]。將U 型和RS 型爆發(fā)的平均最低頻率代入式（1），可以得到兩個(gè)磁環(huán)的頂點(diǎn)高度分別約為9 300 km 和8 000 km。
在這個(gè)事件中，向上運(yùn)動(dòng)的電子束可以用U 型爆發(fā)探測(cè)到，向下運(yùn)動(dòng)的電子束可以用RS 型爆發(fā)探測(cè)到。一般情況下，越往上磁場(chǎng)強(qiáng)度越低，背景等離子體密度越小，更利于射電輻射的逃逸；反之，越往下磁場(chǎng)強(qiáng)度越高，背景等離子體密度越大，越不利于射電輻射逃逸。因此，U 型爆發(fā)的流量密度應(yīng)大于RS 型爆發(fā)的流量密度，這與表1 中的觀測(cè)特征相符合。
5 結(jié)論
本研究可以得出以下結(jié)論：①兩個(gè)磁環(huán)的空間尺度基本相當(dāng)。對(duì)于較高的磁環(huán)，其上升沿尺度略大于下降沿尺度，比值約為4/3；②U 型爆發(fā)對(duì)應(yīng)的磁環(huán)頂點(diǎn)高度約為9 300 km，RS 型爆發(fā)對(duì)應(yīng)的磁環(huán)頂點(diǎn)高度約為8 000 km，二者相差約1 300 km；③U 型爆發(fā)的平均最大流量為892 sfu，約為RS 型爆發(fā)平均最大流量的4 倍。
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