日冕物質(zhì)拋射及其伴生的射電輻射觀測特征*

謝瑞祥，汪 敏，顏毅華，譚程明

(1.中國科學(xué)院國家天文臺云南天文臺，云南 昆明 650011;2.中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100012)

日冕物質(zhì)拋射(CME)是太陽大氣觀測中最顯著的現(xiàn)象，其發(fā)生的空間尺度很大，對行星際(IP)空間的影響很強，大尺度CME發(fā)生時常常伴生一些射電爆發(fā)現(xiàn)象，許多有關(guān)太陽的現(xiàn)象都被認(rèn)為與CME有直接或間接關(guān)系，如太陽耀斑、日珥、在日冕和行星際產(chǎn)生和傳播的激波以及地磁暴等。有關(guān)伴隨CME的現(xiàn)象可以在多種多樣的電磁輻射中觀測到，從微波到千米波的射電觀測可以跟蹤CME從開始到行星際傳播的過程［1－5］。

自SKYLAB、SMM衛(wèi)星和LASCO/SOHO觀測以來，CME被越來越多地研究，但直到現(xiàn)在對CME的起源和觸發(fā)機制仍是未解決的問題。在CME產(chǎn)生和傳播過程中所伴生的射電輻射動態(tài)頻譜類型也仍然不清楚。本文使用了Culgoora(18～1800 MHz)和國家天文臺3頻段(1.0～2.0 GHz、2.6～3.8 GHz、5.2～7.6 GHz)射電頻譜儀的觀測資料，統(tǒng)計分析了2003～2005年對應(yīng)CME的觀測資料，尤其對國家天文臺高頻率、高時間分辨率資料給予了特別關(guān)注，因為厘米—分米波段的射電輻射可能同CME前兆結(jié)構(gòu)的起源一起發(fā)生［6］。在本文中厘米—分米波段的射電精細結(jié)構(gòu)(FS)實際上包括了III型爆發(fā)、斑馬紋、尖峰輻射、纖維爆發(fā)等短壽命的爆發(fā)［7］。根據(jù)文 ［6，8－9］的假設(shè)，這些FS是在CME開始時額外能量輸入到日冕的指示器，同時也指出，F(xiàn)S是與一個日冕不穩(wěn)定性同時產(chǎn)生，如小尺度的磁重聯(lián)，它最終可能觸發(fā)CME的過程。作為一個日冕活動的預(yù)測器，這些低日冕中射電FS的輻射對太陽高能粒子事件的觀測也是特別重要的。關(guān)于CME和射電輻射之間的關(guān)系尚不清楚，在1999～2002年時段記錄了274個CME［3］，其中只有42個CME有伴生的射電爆發(fā)，約有一半的CME事件只有頻率1000～2500 MHz范圍內(nèi)記錄到一個類型的射電爆發(fā)，其余的有二類或更多類型(如連續(xù)輻射、脈動、FS)被記錄到。必須指出，使用有限的頻段不意味著在更寬頻段范圍中有同樣結(jié)果，本文的統(tǒng)計資料已展寬了頻率范圍(18～7200 MHz)，雖然仍未包括IP空間，但已看出激勵CME的動因朝著高日冕傳播的趨勢。由于CME向外傳播時，已經(jīng)呈現(xiàn)的射電輻射將在一定高度上消失。但不排除CME驅(qū)動的基波與高層日冕等離子體相互作用后，激發(fā)新的射電輻射，如長壽命和微III型爆發(fā)的可能。在厘米—長米波范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了伴生CME的多種類型射電輻射，包括II、III、IV型和FS的輻射，他們都是CME/耀斑經(jīng)常共生的射電爆發(fā)，這些爆發(fā)都起源于中日冕以下的等離子體輻射或回旋同步輻射，它們能跟蹤CME和激波的傳播途徑，因此它們與CME密切相關(guān)。

1 觀測資料和統(tǒng)計

本文使用了Culgoora(18～1800 MHz)和國家天文臺3頻段(1～2 GHz、2.6～3.8 GHz、5.2～7.6 GHz)射電頻譜儀的觀測資料，分別找出了CME的開始時間和速度以及所對應(yīng)的各波段射電爆發(fā)類型(如II、III、IV型和FS)，在76個伴生CME的射電爆發(fā)事件中有50個快速(速度大于500 km/s)CME和26個慢速(速度小于500 km/s)CME，統(tǒng)計對應(yīng)CME的射電爆發(fā)分為兩個頻段，一個是國家天文臺資料的頻率范圍 (1.0～7.2 GHz)，另一個是Culgoora頻譜儀(18～1800 MHz)范圍，比較不同波段射電爆發(fā)類型的產(chǎn)率和變化規(guī)律，尤其是找出對應(yīng)事件在厘米—米波范圍的射電FS產(chǎn)率，各參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表1。為直觀起見，還給出了2個典型事件的動態(tài)頻譜，見附圖1(封二)和附圖2(封三)。

2 結(jié)果和分析

通過統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)了一些觀測特征，初步分析如下:

(1)在統(tǒng)計資料中，不論快速或慢速CME，它們所伴生的射電爆發(fā)形態(tài)總的變化趨勢一致，即所對應(yīng)的II和IV型爆發(fā)的壽命是隨著觀測頻率的下降而變長，只是在微波段的射電爆發(fā)對應(yīng)慢速CME比對應(yīng)快速CME的壽命更短些(見附圖1、2和文 ［10］);

(2)快速CME事件的數(shù)目隨著太陽活動周的下降而減少，慢速CME事件的數(shù)目隨著太陽活動周的下降而增多;

(3)在統(tǒng)計的76個事件中，在分米—米波段中大部分有對應(yīng)的CME開始前后階段的FS，其中大部分是射電III型爆發(fā)，此外，大約一半的事件中含有II或IV型爆發(fā)，而含有III型爆發(fā)的數(shù)目最多，尤其在分米—米波范圍中，在2003年幾乎每個事件中都有III型爆發(fā)(見表1)。

表1 CME和對應(yīng)的射電爆發(fā)頻譜特征Table 1 The CME events and spectral characteristics of their correspond radio bursts

(4)CME對應(yīng)的射電FS，在數(shù)量上是隨著太陽活動周的下降而有所減少，然而射電II或IV型爆發(fā)的產(chǎn)生并非隨著太陽活動周期產(chǎn)生明顯變化，只是在2003年期間，在厘米—分米波段II和IV型爆發(fā)的產(chǎn)率比分米—米波段的產(chǎn)率更高些。

表1中的III/FS爆發(fā)類型實質(zhì)上都是FS，尤其是厘米—分米范圍中，F(xiàn)S包含了微III型和類III型爆發(fā)、尖峰輻射、短周期脈動、纖維爆發(fā)和斑馬紋等［7、11－12］。文 ［13］指出在小于0.5 R⊙的高度上加速電子可以注入到各種各樣的開放和封閉磁結(jié)構(gòu)中，顯示出輻射信號種類變化的寬范圍。在本文的76個事件中，揭示了一個復(fù)雜的射電輻射，大多數(shù)事件給出了加速電子在不同時間注入到不同日冕結(jié)構(gòu)的證據(jù)。米波III型爆發(fā)是由加速電子連續(xù)注入到開放磁流管中產(chǎn)生，而寬帶長壽命米波輻射(IV型爆發(fā))也是一個重復(fù)或長持續(xù)時間的加速電子的信號。因為日冕中引起射電爆發(fā)的電子加速是一個很復(fù)雜的、多重脈沖或準(zhǔn)連續(xù)的過程，所以在加速電子釋放的時間和空間上的表現(xiàn)也是很復(fù)雜的。在耀斑脈沖相及脈沖相以后的電子加速，可能主要是激波加速和太陽日冕磁場重組加速，這些加速電子造成了日冕不同高度上的射電爆發(fā)［13］。

由文［14］可知，II、III和IV型爆發(fā)都是由通過日冕和行星際傳播的激波加速的非熱電子產(chǎn)生。CME常常起源于日冕的分米—米波射電爆發(fā)，當(dāng)一個中等相對論性電子流沿著開放磁場線傳播時，由等離子體輻射過程產(chǎn)生了負(fù)漂移率的III型爆發(fā)，當(dāng)高能電子被磁環(huán)捕獲沿封閉磁場傳播時，可能產(chǎn)生正漂移率或J、U型爆發(fā)［5］。III型爆發(fā)是在大尺度磁場發(fā)生變化以前，在一個小尺度范圍內(nèi)初始不穩(wěn)定性的標(biāo)志，常常作為CME的前兆現(xiàn)象。分米—米波的II型爆發(fā)，最可能是起源于MHD激波波前的等離子體輻射，它們能夠跟蹤等離子體拋射和激波的傳播途徑，因此，它與CME密切相關(guān)。II和IV型爆發(fā)常常一起發(fā)生，也是與CME密切相關(guān)，它們可能是由磁環(huán)捕獲的加速電子的等離子體輻射或回旋同步輻射［15］。

3 討論

從觀測到的伴生CME的射電爆發(fā)類型看，包括了各種各樣長短不一的壽命，有II、III、IV和FS，這說明了伴隨CME的射電爆發(fā)事件磁結(jié)構(gòu)是起源于不同的空間尺度，從很小的磁結(jié)構(gòu)到很大的磁結(jié)構(gòu)［16］(如跨赤道磁結(jié)構(gòu)［5］)都可以產(chǎn)生CME和射電爆發(fā)。通過對3年來發(fā)生事件的統(tǒng)計和分析，討論如下:

(1)關(guān)于快速和慢速CME

從表1的參數(shù)可以看出，發(fā)生快速CME的數(shù)目似乎隨太陽活動周的下降而減少，而發(fā)生的慢速CME數(shù)目反而增加。這可能與太陽活動周日面黑子和磁場尺度、位置的分布變化有關(guān)［17］。

(2)關(guān)于產(chǎn)生CME的模型

目前被廣泛接受的CME模型是“磁崩潰”模型［18］，該模型的實質(zhì)是物質(zhì)在拋射前大尺度磁場線的開放，其初始條件是需要一個多重極的復(fù)雜磁場的重聯(lián)［5］。迄今已有一些觀測證據(jù)支持該模型。近來文［19］又提出了一個混合模型，它是具有一個先于快速爆發(fā)環(huán)頂部上的緩慢預(yù)爆發(fā)重聯(lián)，該模型指出磁崩潰最強的信號可能是出現(xiàn)在一個耀斑的脈沖相，并且指出在脈沖相以前可能發(fā)生正或反漂移的III型爆發(fā)，從統(tǒng)計的76個事件中，在CME的前期，微波射電觀測的脈沖相曾經(jīng)產(chǎn)生反漂移(向高頻漂移)III和J型爆發(fā)，也出現(xiàn)了大量的正常III型爆發(fā)，可能是此模型的觀測證據(jù)，因此從統(tǒng)計結(jié)果看，似乎是更支持這個混合模型。

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