太阳爆发的射电和极紫外观测研究

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太阳爆发活动是太阳大气中磁场能量的剧烈释放过程,主要包括耀斑和日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection:CME)。耀斑是发生在太阳表面的宽谱瞬时增亮现象。CME是从太阳日冕向外抛射的大团磁化等离子体物质,是最大尺度的太阳爆发现象。耀斑和CME经常一起发生,但二者之间并没有必然的因果关系,目前普遍认为它们是同一物理过程在不同方面的表现。它们会产生或增强从射电、白光、紫外、极紫外直至X射线、γ射线的全波段辐射,加速太阳高能粒子,发射向行星际空间传播的磁化等离子体云,以及产生可作为重要粒子加速场所的磁流体力学激波等。当这些异常的扰动现象传播到地球时,会导致空间灾害性天气的发生,威胁人类各种空间设施与相关活动。  本论文中主要基于太阳爆发在射电和极紫外两个波段的观测数据,对太阳爆发的表现进行了研究。在第二章考察了CME与日冕射线状结构的相互作用对太阳Ⅱ型射电暴产生的重要作用。在第三章,分析了Ⅱ型暴频带分裂的可能成因。在第四章,通过多温度波段高分辨率的全视角多卫星数据对一个活动区间环的形成过程进行了细致分析。  许多研究表明CME与其邻近日冕密度结构的相互作用对太阳Ⅱ型射电暴的产生有重要作用,但以往的工作都主要通过对射电频谱数据进行分析而得到这个结论,没有使用射电成像数据。在本文中,利用弓激波模型以及STEREO/EUVI和SOHO/EIT多视角极紫外成像数据,对被认为是产生2010年3月18日太阳Ⅱ型射电暴的激波(EUV波)前沿进行了三维重构,得到了整个激波面在三维空间中的位置信息。同时结合从Nancay射电成像数据中得到的射电源区在天空平面上的二维投影,得到了射电源区的三维空间信息。发现,这个Ⅱ型暴源区刚好落在CME(CME)与其邻近日冕射线状结构的交界处,这为Ⅱ型暴源区位于CME和日冕结构的相互作用区内提供了观测依据。  发现并定义了频带分裂Ⅱ型射电暴的频谱时移现象。通过对事件遍历找到的2005年5月31日频带分裂太阳Ⅱ型射电暴的研究,发现它分裂的两支并没有严格同时出现和变化,而是高频支比低频支提前出现几秒。这个发现为研究Ⅱ型射电暴频带分裂的物理成因提供了重要的线索和约束,并对上下游理论提出了很大的挑战。这是因为,在上下游理论中,如果在激波传播路径上有可能导致谱形变化的密度结构存在,则低频支源区所在的激波上游会先扫过这个密度结构,然后是高频支源区所在的激波下游扫过。那么这些谱型变化会首先在低频支出现,然后再出现在高频支,这正好与我们的观测结果相反。这表明,被很多人用作理论假设的上下游解释和有可能是错误的。当然在后面的工作中,需要更多高时间分辨率的结果来确认这个结论。  为进一步寻找和总结Ⅱ型暴频带分裂事件的观测特征,通过遍历RSTN(Radio Solar Telescope Network,operated by the US Air Force)动态频谱数据找到了18个具有良好的频带分裂特征的太阳Ⅱ型射电暴事件。发现这些取自不同太阳活动周、日冕参数相差很大、相关CME速度相差几倍的不同事件,竟拥有相似的分裂特征,以及相对固定的上下两支之间的频率比γ。在这些事件中,有80%的数据的γ分布在1.15到1.25之间。如果仅考虑数据质量更好、测量误差更小的一组,则95%的数据的γ落在这个区间内。而且,无论是事件之间还是单个事件的整个生命周期中,γ都基本保持不变。另外,发现,推导出的源区代理速度和γ之间基本上没有相关性,而这在上下游理论中应该表现为正相关的。最后,重新分析了Vr(s)nak et al.(2002)支持上下游理论的证据,发现其引入过多自由参数,且控制因素并不是分裂带宽,其所用数据几倍的不确定性也不足以支持其结论。因此,我们的这些观测结果和上一个工作一起挑战了上下游理论的正确性。  活动区间环(Interconnection Loops;ILs)是连接两个不同活动区的大尺度磁场结构,是CME的一个重要来源。它主要分布于太阳赤道附近,与它关联的CME爆发传播在黄道平面上,对地球空间环境可产生重要影响。且因为ILs具有径向磁场分量,故常被认为是太阳发电机过程中的有效组成部分。一般认为活动区间环是通过高日冕(>150-200角秒)中的磁重联而形成的。目前已有几种图景被提出来解释它们在软X射线波段中的增亮过程,例如重联引起的色球蒸发过程导致致密的热等离子体充填到冕环中点亮冕环,足点磁场增大引起阿尔芬波在冕环中的耗散增强从而加热冕环等。然而,关于导致活动区间环形成的重联的细节研究尚未被报告过,新形成冕环如何增亮的机制问题也仍未解决。在本工作中基于在太阳背面的STEREO-A,以及正面的SDO和Hinode的观测数据,追踪了活动区间环形成的整个过程。发现,此活动区间环是通过高日冕处的磁场重联形成的,这个结论与先前其他研究者的结果一致,同时明确指出了在以前的研究中很大程度上被忽略的一点,即冕环在软X射线和极紫外波段的增亮现象是重联点或附近重联的直接加热所导致的,而非由色球蒸发过程所致。
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