论文部分内容阅读
耀斑、日冕物质抛射等太阳爆发现象会释放大量高能电子,可在厘米至千米波段产生强电磁辐射。这一在射电波段辐射增强的现象被称为太阳射电暴。对射电暴的辐射流量频谱和成像观测数据分析可用于推测射电暴的辐射机制,诊断太阳爆发过程和日冕等离子体的性质,以认识太阳大气中磁场能量的储存和释放过程等。对于相当一部分太阳射电爆发现象,其辐射亮温远超相应的热力学温度和高能电子平均能量对应的有效温度,不能用以单粒子为基础的经典电磁波辐射机制来解释,只能引入等离子体相干辐射机制。目前主要提出了两种太阳射电暴的等离子体相干辐射机制,分别是电子回旋脉泽辐射机制和等离子体辐射机制。在最近关于太阳射电暴辐射机制的研究中,Ni et al.(2020)使用粒子模拟方法研究了具有Dory-Guest-Harris(DGH)分布的高能电子所驱动的电子回旋共振(脉泽)不稳定性(Electron Cyclotron Resonance(Maser)Instability:ECMI)—等离子体辐射过程。他们发现在高特征频率比(ωpe/ωce=10)下,具有(?)f/(?)v丄>0特征的DGH速度分布函数可以激发电子回旋共振不稳定性,产生Z模、高杂波(UH)、哨声波(W)等模式;在模拟结果中也观测到O模基频辐射(F)和谐频辐射(H)等可逃逸模式,其中,Z,UH和W模的激发可用线性动理论所描述的波粒共振过程(ECMI)来解释,而F和H等辐射模式无法用该线性理论解释。根据PIC模拟结果,Ni et al.(2020)提出基频辐射是由几乎反向传播的Z模和哨声波的非线性并合产生的,谐频辐射是由几乎反向传播的高杂波非线性并合产生的,这与传统的由束流电子驱动的等离子体辐射机制不同。值得关注的是,该模拟得到的基频和谐频辐射比模拟系统中相应的热噪声水平仅高出1~2个数量级,辐射的激发效率相对较低。为了得到更强的基频和谐频辐射的激发效率,本工作基于相同的模拟方法和相似的模拟参数(ωpe/ωce=10),但采用不同的高能电子速度分布函数,包括环分布、环束流以及束流分布,在更低的高能电子密度占比(ne/n0=0.01,其中化为高能电子密度,n0为总电子密度)条件下开展相应模式及辐射激发的PIC模拟研究。模拟结果分析表明,在环分布算例中,与Ni et al.(2020)结果类似,高杂波是系统中所激发的最强模式,哨声波和Z模次之;模拟中也得到了等离子体振荡频率(ωpE)附近的O模基频辐射与2ωpe频率附近的谐频辐射。其中,谐频辐射强度和基频相近;O模基频辐射能量与总的高能电子能量之比为~10-8,谐频辐射的能量与总的高能电子能量之比为~10-7。此外,所得O模基频辐射的频率最高可到~10.2ωce,相应群速度可达~0.26c。而由Ni et al.(2020)模拟以及几乎所有基于传统束流驱动的等离子体辐射机制的模拟和理论研究所得的基频辐射频率均与ωpe非常接近,群速度几乎为零,对应于几乎不传播的准静电O模,这些辐射光子会感受到与周围同频振荡的等离子体的折射散射反射和吸收等作用,难以有效传播,未必能轻易逃离源区,与之相比,本工作得到的基频辐射更容易逃逸源区。在束流分布算例中,观察到很强的Beam-UH模式,该模式只出现在准平行方向上。与环分布算例结果类似,高杂波是系统中所激发的最强模式,哨声波和Z模次之;模拟中也得到了最高频率O模~10.2Wce的基频辐射与2ωpe频率附近的谐频辐射。其中,模拟得到的基频辐射强度要比谐频高一个量级;此外,基频辐射强度和Z模强度基本一致,显著高于环分布及Ni et al.(2020)所得的基频辐射强度。在环束流分布算例中,投掷角较小的环束流分布算例(Φ=30°,其中西是束流速度和磁场的夹角)所得电磁场能量随时间演化的结果与束流分布情况非常类似,模式的频率范围,波数范围等结果也基本一致,而投掷角较大的环束流分布算例(Φ=60°)的电磁场能量随时间演化的结果更接近环分布。由于PIC模拟中采用的高能电子速度分布函数不同,尽管主要激发的模式都是高杂波、Z模和哨声模,它们的性质——传播范围,模式强度,频率范围,波数范围等各不相同。随着投掷角的增大,高杂波的模式强度都逐渐减弱,传播范围从准平行方向(Φ=0°)变为垂直和倾斜方向(Φ=90°);W模强度则逐渐增强,传播方向由主要沿平行方向变为主要沿反平行方向;Ez色散关系图中的Z模强度逐渐减小,传播方向基本不变。在所模拟的几种分布中,以环分布对应的基频O模辐射最弱,传播方向大体一致;除环分布外,在环束流及束流分布情况下,均有谐频模式强度显著弱于基频辐射强度谐频的模式强度都逐渐减弱。值得注意的是,在束流算例和环束流分布算例中,相比与Ni et al.(2020)模拟以及所有基于传统束流驱动的等离子体辐射机制的模拟得到的基频O模,本论文展示的基频辐射强度很强,频率较高,且强度比谐频强一到两个量级。考虑到本工作采用的较低的高能电子与背景电子密度比,所得辐射模式的激发效率显著高于Ni et al.(2020)中相应数值。