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太阳大气中经常发生很多亮度突增、快速、强烈的爆发过程,累积的磁能突然释放,同时,大量的粒子在短时间内被加速到高能的非热状态,在其传输的过程中伴随有一系列丰富的不同波段上的爆发现象,比如射电爆发、硬X射线爆发、γ射线爆发等。通过对这些爆发现象的观测研究,有助于我们理解太阳活动过程中有关粒子加速、粒子输运、磁场演化、背景等离子体加热等物理过程。中国怀柔太阳射电宽带频谱仪(SBRS)为我们提供了高时间,频率分辨率的数据,发现了许多新的爆发现象。本文内容主要包括:比较分析射电爆发和硬X射线爆发,找到它们的联系和区别,进而研究非热粒子的动力学过程;通过对太阳射电爆发以及精细结构的个例分析和统计分析,挖掘它们与耀斑和CME的关系,并且结合辐射机制,挖掘更多有关磁场、非热粒子、背景等离子体等参数的信息,验证现有的太阳活动的模型。
SBRS观测到2004年12月1日的爆发事件,该事件伴随M级耀斑和CME。在耀斑的脉冲相,1.1-1.34GHz波段上观测到三组射电精细结构(N1、22、23)。N1是一组新的精细结构,由快速的正频漂(低频向高频漂移,10.6MHz/s)和缓慢的负频漂(高频向低频漂移,-3.4MHz/s)的爆发条纹组成。由于该频段的观测对应耀斑磁重联区域附近的射电爆发,根据耀斑模型,对N1的理论解释是:快频漂代表非热粒子团的快速向下运动(438km/s),慢频漂代表缓慢的耀斑环的向上的运动(76km/s)。Z2、Z3是典型的斑马纹结构,爆发与吸收条纹的频率间隔不相同,根据双哨声波模型,得到22、23对应的磁场,并且在偶极子磁场模型中找到爆发源的大概位置,得到斑马纹结构对应源的变化率与从N1得到的耀斑环的上升速度相当,反映了耀斑环的膨胀上升过程。
在2.6-3.8GHz和5.2-7.6GHz波段,射电爆发上几乎没有射电精细结构,可以认为是回旋同步辐射的产物。在耀斑的上升相,射电和硬X射线的流量曲线很相似,但是,在耀斑后相,射电流量比硬X射线流量衰减的慢。我们认为在耀斑后相,射电爆发的缓慢衰减是由于耀斑环中非热粒子的有效俘获造成的。利用非热粒子动力学过程的“俘获+沉降”模型,我们计算了俘获粒子密度,通过对射电爆发和硬X射线爆发的观测分析来确定模型计算需要的初始参数,重点关注俘获粒子的逃逸机制(投射角散射)。利用回旋共振辐射模型,计算射电辐射流量。通过计算结果与观测数据的对比分析,得到以下结论:耀斑爆发过程中对应的非热粒子的投射角散射机制是库仑碰撞散射;在整个过程中,俘获粒子的逃逸率不断增加,且斜率随频率增加而减小;逃逸率随频率增加而减小的特征,可以解释射电辐射谱(软-硬-软)和硬X射线辐射谱(软-硬-硬)的演化特征:在07:10:10-07:13:00 UT期间,怀柔太阳射电宽带动态频谱仪(SBRS)在1.1-1.34GHz波段上,观测到斑马纹和脉动结构,它们主要是波-波相互作用和波-粒相互作用的产物,这些不稳定因素也会导致投射角散射,从而减少了俘获粒子,使得射电辐射减少,硬X射线辐射增加,从而使得计算结果高于观测结果。因此,射电爆发精细结构能够为非热粒子的动力学过程提供有效的诊断依据。
为了研究太阳射电爆发及其精细结构与太阳耀斑和CME的关系,我们统计了在2.6-3.8GHz波段上有射电精细结构的27个射电爆发事件,根据频谱特征进行分类,得到超过12种共234个精细结构。结合耀斑和CME的观测分析,得出以下结论:(1)70.4%的爆发事件中,2.84GHz的射电峰值时刻早于软X射线流量的峰值时刻,平均时间间隔是6.7分钟;大部分CME发生在射电爆发峰值期间或峰值之前:(2)2.84GHz射电流量的峰值越大,射电精细结构越多,但是精细结构的个数与射电爆发的持续时间无关;(3)M级耀斑只产生小数量的射电精细结构,X级的耀斑产生的射电精细结构可能多也可能少;(4)射电精细结构与CME的速度和能量有关,与CME展开的角宽无关;(5)大部分射电精细结构发生在射电爆发和耀斑的脉冲相,另外还给出了III型爆发、斑马纹结构和纤维结构的频谱特征,并且得到了诊断信息。
射电爆发及其精细结构可以为粒子动力学过程和太阳活动的研究提供诊断信息。在耀斑过程中,不同种类的射电爆发和精细结构被观测到。根据它们的辐射机制,可以得到磁场、非热粒子以及背景等离子体的有关信息,并且也可以得到这些参数的演化特征,来验证已有的太阳活动的模型。从耀斑环中回旋同步辐射的射电爆发和大部分源于耀斑环足点的硬X射线爆发,可以分析产生二者的非热粒子的分布和演化,尤其是可以得到俘获粒子的逃逸机制和逃逸率的演化规律。另一方面,大部分射电精细结构源于相干辐射机制,一个事件中包含精细结构的数量反映了该事件磁场结构和爆发过程的复杂性。从统计工作中发现,射电精细结构数量越多,包含的精细结构的种类越多;精细结构多的事件对应X级耀斑和快速CME。