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太阳耀斑是太阳物理中最剧烈的爆发现象之一,朝向地球的事件可以造成地球磁层和电离层的扰动。为了防止它们所造成的危害,全面理解它们的本质,掌握其发生发展的规律是十分重要的。目前关于它们的观测和理论研究很多,但绝大多数只集中于它们两维的形态和动力学演化,如耀斑带的分离、耀斑后环环顶的抬升等,而对它们的三维形态和动力学演化的研究相对来说比较薄弱。基于高空间分辨率和高时间分辨率的空间观测资料,作者对耀斑的三维形态和动力学演化进行了观测研究。主要结果如下:
1、作者利用TRACE卫星从1998年5月到2006年12月的观测资料,从中挑选出在171 A或者195 A波段有耀斑后环观测的190个M级和X级(151个M级和39个X级)耀斑事件作为样本。在这个样本中,有124个耀斑事件有1600 A波段的观测,作者可以利用它们来研究耀斑带的演化情况。作者对样本中耀斑后环沿着磁中性线方向的传播以及耀斑双带远离磁中性线的分离进行了统计研究,结果发现耀斑后环初始增亮的地方,其光球磁场在耀斑发生前后有变化。在大多数耀斑事件中,耀斑带的长度为20 Mm~170 Mm。耀斑后环增亮传播的时间为10~60分钟,而耀斑双带分离的时间为10~70分钟。耀斑后环增亮传播的速度为3~39 km/s,耀斑双带分离的速度为3~15 km/s。耀斑后环的传播速度和耀斑双带的分离速度都跟耀斑级别的大小相关,也跟耀斑带的长度大小相关。耀斑后环的传播和耀斑带的分离是动态耦合的,传播速度和分离速度正相关。耀斑后环的增亮传播不是匀速的,大多数传播的平均加速度为负值。并且加速度的大小跟传播速度的大小正相关。耀斑后环的增亮传播有三种不同的传播模式。第一类传播,耀斑后环的初始增亮发生在磁环的中部,然后增亮向两边传播,这一类型的传播几乎占所有耀斑事件的一半;第二类传播,耀斑后环的初始增亮发生在磁拱的一端,然后增亮向另一端传播,这类传播占总样本数的30%。第三类传播,耀斑后环有两个或两个以上的初始增亮发生在磁拱的不同位置,每一个增亮都分别向磁拱的两端传播。这三类耀斑后环的传播模式可以用三维的磁重联模型解释。
2、使用多波段观测数据,作者研究了2000年3月23日发生在活动区8910内的一个M2.0级耀斑过程中磁重联的特征。在这个耀斑过程中,远紫外磁环在硬X射线环顶源上方经历了两次明显的侧向移动,平均速度分别为75 km/s和25.6km/s。随后部分磁环消失,伴随有耀斑后环出现。我们认为这两次磁环的侧向运动是磁重联内流(reconnection inflow)运动的观测证据。在第二次磁环的侧向运动过程中,在耀斑后环上方,磁环的外边界组成了一个X型结构,可能对应于跟磁重联相关的慢激波和快激波。跟这两次磁环的侧向运动相对应的是,耀斑带也有两次分离运动,分离速度分别为3.3 km/s和1.3 km/s。这两次远紫外磁环的侧向运动以及耀斑带的分离跟X射线流量的两次峰值在时间上一致。这表明在这个耀斑过程中,有两次磁重联的发生,即磁重联是间歇的。在磁通量守恒的前提下,通过光球磁场观测、远紫外磁环的侧向运动速度和耀斑带的分离速度测量,我们得出日冕中的磁场强度为13.2~15.2 G,从而得到两次磁重联的重联率分别是0.03和0.01。除了耀斑后环的侧向移动和耀斑带的分离,在耀斑过程中我们还观测到沿着磁环向上和向下运动的等离子体,运动速度介于45.4km/s和556.7 km/s之间。这些向上和向下运动的等离子体被认为是在电流片中加速的从而喷射出来沿着磁环传播的高能粒子。我们还在硬X射线源区域顶部发现了一团亮的等离子体云以51 km/s的速度向外传播,这些等离子体云可能是被重联新形成的磁场线的张力加速的。上述耀斑过程中观测到的所有磁重联的特征都可以用磁重联的示意图解释。
3、2006年12月13日的主太阳事件由很多事件组成,包括一堆热等离子体的喷射、一个大的双带耀斑和一个对地方向的日冕物质抛射。作者研究了这个主太阳事件的日面源区——活动区10930从12月10日到12月13日的磁场变化和黑子演化。我们发现,跟这个事件相关的活动区的明显变化包括磁剪切的发展、瞬现磁场的浮现和小的主黑子的快速旋转。在活动区磁中性线附近的区域,新浮现的瞬现磁场和快速旋转的黑子相互作用导致了磁中性线附近的连续增亮和最终发生的大耀斑。观测表明,当黑子旋转达到200度时,大耀斑发生。这个主黑子绕着中心的旋转至少有240度,是至今为止所报道的最大旋转角度。
4、在TRACE卫星1600 A观测的513个M级和75个X级耀斑中,20个耀斑事件,它的耀斑带完全扫过相关活动区中一个主黑子。作者以这20个事件为样本,分析研究耀斑事件日面源区在耀斑发生前48小时的磁场变化和黑子演化,发现:(1)被耀斑带扫过的主黑子周围反极性的黑子分布比较简单,如只是一个反极性黑子或者几个小黑子紧挨在一起。(2)几乎所有参与耀斑事件的正负主黑子都有旋转运动,并且绝大多数事件中它们旋转的方向相同。(3)几乎所有参与耀斑的正负主黑子之间有明显的剪切运动,且剪切运动的方向与被耀斑带扫过的黑子的旋转方向相反。这些观测表明,被扫过的主黑子的磁场线都跟周围的反极性黑子相连接,主黑子的旋转和两极主黑子之间的剪切运动使得活动区上方的磁场线扭缠在一起,使活动区上方的磁场线出现S型结构,磁自由能持续积累,导致耀斑爆发。当耀斑发生的时候,扭缠在一起的磁场线全部的参与到磁重联的过程中。这也就使得作者观测到耀斑带完全扫过一极的主黑子。
5、日冕磁环在它的形成和爆发的过程中伴随有明显的等离子体流动。而另一方面,人们也经常观测到运动的冷的日冕结构沿着磁环传播。本文中,作者报道了两类运动的冷的日冕结构并描述了它们的基本特征。使用STEREO卫星EUVI望远镜远紫外304 A波段和HINODE/SOT Ca II波段的观测,作者研究了远紫外磁拱和冷日冕结构的演化。结果显示,在远紫外304 A波段观测中,有一个等离子体团沿着一个拱状的轨迹运动,平均速度为31km/s。三个小时后,沿着这个拱状的轨迹,一个等离子体磁拱出现。随后磁拱的项部衰弱并消失,同时磁拱两条腿里面的等离子体沿着磁拱向下运动。在磁拱形成和消失的过程中,作者使用HINODE/SOT CaII图像观测到了磁拱下方有运动的冷的日冕结构。通过追踪研究这些日冕结构,作者把它们分成了两类。第一类结构是线状的,下落的速度比较大,平均速度为72 km/s,并最终落在有磁环纤维的地方。第二类结构的形状不断变化,下落的速度比较小,平均速度为37km/s,最终消失的地方没有磁环纤维的观测。作者认为,不同的磁场位形导致了两类日冕结构。