兩個(gè)太陽爆發(fā)事件中磁重聯(lián)電流片的觀測(cè)研究?

蔡強(qiáng)偉12吳 寧3 林 雋1

(1中國科學(xué)院云南天文臺(tái) 昆明650011)

(2中國科學(xué)院大學(xué) 北京100049)

(3云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院昆明650031)

兩個(gè)太陽爆發(fā)事件中磁重聯(lián)電流片的觀測(cè)研究?

蔡強(qiáng)偉1,2?吳 寧3?林 雋1

(1中國科學(xué)院云南天文臺(tái) 昆明650011)

(2中國科學(xué)院大學(xué) 北京100049)

(3云南師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院昆明650031)

日冕物質(zhì)拋射(Coronal Mass Ejection,CME)通常會(huì)將其后面區(qū)域中的磁場(chǎng)急劇拉伸,使得極性相反的磁力線相互靠近而形成磁重聯(lián)電流片.磁重聯(lián)電流片在爆發(fā)過程中,既是磁自由能迅速轉(zhuǎn)化為熱能、等離子動(dòng)能和高能粒子束流的重要區(qū)域,又起著連接日冕物質(zhì)拋射和耀斑的作用.2003年 1月 3日和 11月 4日的兩次CME事件,在CME離開太陽表面附近之后,均有電流片被觀測(cè)到.結(jié)合搭載在SOHO (Solar and Heliospheric Observatory)上的 LASCO(Large Angle and Spectrometric Coronagraph)、UVCS(Ultraviolet Coronagraph Spectrometer)數(shù)據(jù),以及大熊湖天文臺(tái)和云南天文臺(tái)的 Hα資料,研究兩次爆發(fā)事件的動(dòng)力學(xué)特征,以及電流片的物理特性.電流片中高電離度粒子的存在,如 Fe+17、Si+11,表明電流片區(qū)域中溫度高達(dá)3×106～5×106K.直接測(cè)量發(fā)現(xiàn)電流片的厚度在1.3×104～1.1×105km范圍之間,并隨時(shí)間先增大后逐漸減小.利用CHIANTI(ver 7.1)光譜代碼,進(jìn)一步計(jì)算得到2003年1月 3日電流片中的電子溫度和相應(yīng)輻射量 (Emission Measure,EM)的均值分別為3.86×106K和6.1×1024cm?5.另一方面,利用SOHO/UVCS觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)2003年11月4日的CME爆發(fā)事件中的電流片進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)電流片呈現(xiàn)準(zhǔn)周期性扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).

太陽:日冕物質(zhì)拋射,太陽:電流片,太陽:輻射量,太陽:紫外輻射

1 引言

日冕物質(zhì)拋射(Coronal Mass Ejection,CME)是太陽大氣中最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象,短時(shí)間內(nèi)拋射大量 (1014～1016g)等離子體物質(zhì)進(jìn)入行星際空間[1].除了等離子體之外, CME還攜帶著大量的磁通量(1020～1022Mx)進(jìn)入行星際空間.這些磁通量與等離子體以及爆發(fā)前的日冕磁結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)在一起,在爆發(fā)過程中因部分磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)被破壞而被拋離太陽.CME爆發(fā)通常與日珥爆發(fā)以及和耀斑( fl are)、高能粒子事件(SEP events)、射電暴等現(xiàn)象有關(guān)系的活動(dòng)區(qū)域有關(guān)聯(lián)[2],Cheng等[3?4]中分析表明快速CME同超強(qiáng)質(zhì)子事件有關(guān)聯(lián).

CME的觸發(fā)需要日冕磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)中的平衡被破壞,而CME的傳播則需要磁重聯(lián)的發(fā)生[5?7].磁重聯(lián)在太陽爆發(fā)事件中占據(jù)著重要作用,是反向磁力線局部耗散引起重構(gòu)以及磁能釋放的過程.在經(jīng)典太陽耀斑的CSHKP模型[8?11]中,磁力線在爆發(fā)開始階段被極度拉伸,并在反向磁力線相互靠近的區(qū)域中形成電流片(current sheet,CS). Lin&Forbes[12]利用二維磁通量繩模型研究了由災(zāi)變過程驅(qū)動(dòng)的磁重聯(lián)如何幫助磁通量繩逃逸而形成CME,以及磁通量繩的運(yùn)動(dòng)是如何反過來影響磁重聯(lián)過程的.Lin& Forbes[12]災(zāi)變模型中最為突出的結(jié)構(gòu)特征就是連接CME和耀斑的長磁重聯(lián)電流片. Ciaravella等[13]利用 SOHO(Solar and Heliospheric Observatory)衛(wèi)星上的 UVCS (Ultraviolet Coronagraph Spectrometer)光譜資料對(duì)1998年3月23日爆發(fā)事件進(jìn)行分析,首次通過光譜資料從觀測(cè)上證實(shí)了CME/耀斑電流片的存在.

跟在CME之后的電流片的一個(gè)最顯著的特征就是與周圍CME的大尺度結(jié)構(gòu)相比,具有較小的厚度,以及其中的等離子體的較高的溫度(見Ciaravella等[14]的總結(jié)).電流片典型的觀測(cè)特征是狹窄的高溫 (幾百萬開)區(qū)域,經(jīng)常出現(xiàn)在大約6×106K(lg(T/K)=6.8)處形成的[FeXVIII]λ974高溫譜線的光譜圖或是單色像中.通常,這個(gè)高溫輻射區(qū)域在CME掃過UVCS的狹縫之后被觀測(cè)到(Ciaravella&Raymond[15]; Lee等[16];Schettino等[17]),持續(xù)多個(gè)小時(shí)甚至數(shù)天(如Ciaravella等[13];Ko等[18]; Bemporad等[19]).電流片在白光和[FeXVIII]λ974發(fā)射線的圖像中表現(xiàn)為跟隨著向外移動(dòng)的CME核之后的狹窄的射線狀結(jié)構(gòu).最近,Ciaravella等[14]對(duì)CME的白光射線和紫外輻射進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析表明兩者之間不存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系:白光射線(樣本量為157)中只有40%顯示出紫外輻射,其中的18%表現(xiàn)出高溫特性;而且,許多CS顯示出紫外輻射而無關(guān)聯(lián)的白光圖像.這種不對(duì)應(yīng)性主要是由觀測(cè)儀器的空間位置和觀測(cè)條件造成的.

早期人們認(rèn)為電流片的厚度d受到質(zhì)子拉莫半徑的約束,在日冕環(huán)境下大約是幾十米,認(rèn)為電流片太薄而無法觀測(cè)[20?21].這種觀點(diǎn)是基于實(shí)驗(yàn)室的小尺度磁重聯(lián)(幾十米的大小)或者是在空間準(zhǔn)靜態(tài)過程(數(shù)十小時(shí)或者幾天的時(shí)間尺度).但目前的觀測(cè)已經(jīng)證實(shí)CME/耀斑電流片的存在,且表明電流片有較大的厚度.比如Lin等[22]直接測(cè)量了電流片的厚度,發(fā)現(xiàn)其大小達(dá)到出人意料的6.4×104km,Ciaravella&Raymond[15]發(fā)現(xiàn)這一厚度在5.6×104～1.4×105km之間,而Bemporad等[19]則估計(jì)出電流片的厚度在3×105km左右.最近,Ciaravella等[14]對(duì)已有的有關(guān)電流片的工作進(jìn)行了歸納和總結(jié).其結(jié)果表明,直接觀測(cè)到的電流片的厚度在3×104～3.5×105km.

觀測(cè)同時(shí)表明沿CS方向有持續(xù)的等離子團(tuán)流動(dòng),且有靠近(McKenzie&Hudson[23])和遠(yuǎn)離 (Ko等[18];Lin等[22])太陽兩種運(yùn)動(dòng)方式.一般認(rèn)為它們是 CS中的磁重聯(lián)外流.在這些流體中,還能夠識(shí)別出許多等離子團(tuán) (如 Ko等[18];Lin等[22]; McKenzie&Hudson[23];Savage等[24];Reeves等[25]).在Forbes&Malherbe[26]、Riley等[27]、Bárta等[28]、Shen等[29]、Mei等[30]、Song等[31]和 Shen等[32]的數(shù)值實(shí)驗(yàn)中,一系列同樣形式的等離子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)均被觀測(cè)到.盡管這些數(shù)值實(shí)驗(yàn)沒有能夠重現(xiàn)某些特殊事件,但在CS的形成和沿著CS運(yùn)動(dòng)的等離子團(tuán)的形成和發(fā)展方面,均達(dá)到了很好的共識(shí).Riley等[27]指出,CS中團(tuán)塊的形成和演化強(qiáng)烈地表明撕裂膜不穩(wěn)定性[33]或是混沌(即分?jǐn)?shù)維)磁重聯(lián)[34]在磁場(chǎng)耗散和控制CS的尺度上發(fā)揮著很重要的作用(也可參見文獻(xiàn)[35-36]).

在上述工作的基礎(chǔ)上,本文利用白光和紫外光譜數(shù)據(jù)對(duì)2003年1月3日(事件1)和11月4日(事件2)的兩次爆發(fā)事件進(jìn)行分析.在兩個(gè)事件中,CMEs經(jīng)過UVCS狹縫的視場(chǎng)之后,都在[FeXVIII]λ974發(fā)射線的單色像中留下了狹窄而明亮的結(jié)構(gòu).本文的第2部分是對(duì)主要的觀測(cè)儀器和CHIANTI光譜代碼的介紹;第3部分是對(duì)兩次爆發(fā)事件在白光(Large Angle and Spectrometric Coronagraph C2,LASCO C2)觀測(cè)到的演化過程進(jìn)行描述,并對(duì)事件的動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行分析;第4部分是對(duì)兩次事件在紫外光譜數(shù)據(jù)(UVCS)中識(shí)別出的電流片的結(jié)構(gòu)演化及物理特征進(jìn)行分析;最后,我們?cè)诘?節(jié)對(duì)此次工作進(jìn)行總結(jié)和討論.

2觀測(cè)儀器和CHIANTI光譜代碼

2.1 觀測(cè)儀器

文中的研究數(shù)據(jù)主要來源于搭載在SOHO上的 LASCO和UVCS兩臺(tái)儀器. LASCO C2是能夠在從2.3 R⊙到6 R⊙的高度范圍內(nèi)連續(xù)觀測(cè)日冕的白光日冕儀,拍照周期為20 min,像素尺寸為11.4′′(Brueckner等[37]).同白光日冕儀觀測(cè)到的日冕完整視野不同,UVCS光譜儀(Kohl等[38])的視場(chǎng)被它的42′長和84′′寬的狹窄入射狹縫所限制.狹縫可以放置在位于1.5 R⊙～10 R⊙之間的任意方位角(PA)處.

UVCS有兩個(gè)通道,即OVI和Lyα通道,分別用于探測(cè)OVIλλ1032/1037雙線和HI Lyα譜線,在945～1270 ?(次級(jí)473～635 ?,詳細(xì)描述可參考Kohl等[38])的波長范圍內(nèi)也可觀測(cè)到許多其他譜線.出現(xiàn)在這些波長范圍內(nèi)的譜線主要有OVIλλ1032/1037雙線,CIIIλ977,HI Lyα,Lyβ,以及 MgXλ610和SiXIIλ520的次級(jí)譜線.在CME物質(zhì)中觀測(cè)到的主要譜線是 OVIλλ1032/1037雙線,CIIIλ977,HI Lyα,Lyβ等低溫譜線. OVI通道有一個(gè)冗余路徑允許進(jìn)行HI Lyα(一級(jí))和MgXλλ610/625(二級(jí))譜線的探測(cè).用作探測(cè)器的CCD每個(gè)像素的空間尺寸為7′′,在OVI和Lyα通道上,每個(gè)像素占據(jù)的色散范圍分別為0.0993 ?(冗余路徑為0.0915 ?)及0.1437 ?;光譜分辨率是0.18～0.6 ?,曝光時(shí)間范圍是120～600 s(每兩次曝光之間間隔10 s用于讀出數(shù)據(jù)).

由于觀測(cè)技術(shù)的限制,UVCS只能用低空間和低光譜分辨率的模式在它的設(shè)計(jì)的波長范圍內(nèi)進(jìn)行觀測(cè).觀測(cè)是在一個(gè)固定高度或在若干高度之間轉(zhuǎn)換.典型的觀測(cè)高度是1.6 R⊙～2.3 R⊙,且能夠覆蓋很寬的溫度范圍,從如CIII(105K)的低溫譜線到如[FeXVIII](106.8K)的高溫譜線.大多數(shù)UVCS觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)具有3(21′′)個(gè)或6(42′′)個(gè)像素的空間分辨率,這些數(shù)據(jù)會(huì)在某幾個(gè)波長范圍內(nèi)有缺失.對(duì)CME的觀測(cè)要求UVCS在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間和位置處將入射狹縫放置在正確的地方中,否則有可能會(huì)導(dǎo)致UVCS觀測(cè)錯(cuò)過CME的爆發(fā)位置.當(dāng)CME掃過狹縫的視場(chǎng)時(shí),我們可以得到事件的光譜.獲得的光譜數(shù)據(jù)是一個(gè)二維圖像,縱軸方向包含的是目標(biāo)沿著入射狹縫的空間信息,橫軸方向給出的是目標(biāo)色散信息.

2.2CHIANTI光譜代碼

CHIANTI數(shù)據(jù)庫在 1996年首次發(fā)布 (Dere等[39]),基本上包含了所有天體物理中重要離子的能級(jí)、輻射數(shù)據(jù)和電子激發(fā)率.另外,還有許多利用 IDL編寫的計(jì)算機(jī)程序,允許用戶計(jì)算合成光譜,研究等離子診斷特征.CHIANTI原子數(shù)據(jù)庫的目標(biāo)是提供一系列原子數(shù)據(jù),來解釋以碰撞為主、高溫、光學(xué)薄源所激發(fā)的天體物理光譜.隨著數(shù)據(jù)庫的發(fā)展,逐漸包括原子能級(jí),電離和重組率系數(shù),以及用于計(jì)算自由-自由、自由-束縛、雙光子連續(xù)輻射的數(shù)據(jù).CHIANTI版本7的發(fā)布,對(duì)庫中已存在離子進(jìn)行更新,并增加了一些新的離子.自從發(fā)布之后,CHIANTI已應(yīng)用于天體物理中許多不同領(lǐng)域,其中在太陽物理中使用很普遍,尤其是針對(duì)搭載在SOHO上CDS(Coronal Diagnostic Spectrometer)、SUMER(Solar Ultraviolet Measurements of Emitted Radiation)、UVCS光譜分析儀得到的光譜數(shù)據(jù)(如Young&Mason[40];Landi等[41];Akmal等[42]).經(jīng)過CHIANTI團(tuán)組的努力,它已經(jīng)成為適用于在1～2000 ?波長范圍內(nèi)光學(xué)薄輻射的最廣泛、完整、準(zhǔn)確的光譜代碼之一.

3CME事件分析

事件1和事件2由搭載在SOHO衛(wèi)星上的LASCO儀器分別在2003年1月3日和11月4日觀測(cè)到,其中后者為暈狀CME.事件1中的CME由處于日面邊緣的暗條(日珥)爆發(fā)引起.在CME之后,通過UVCS光譜數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)電流片結(jié)構(gòu)的存在(圖1(a)～(d)),但由于觀測(cè)位置問題,在LASCO視場(chǎng)中無法看到.事件2中同CME爆發(fā)事件相關(guān)聯(lián)的是劇烈的太陽耀斑的產(chǎn)生.同事件1類似,我們能夠在LASCO視場(chǎng)中以及UVCS光譜數(shù)據(jù)中觀測(cè)到電流片的存在(圖1(e)～(h)).下面,我們對(duì)兩次CME爆發(fā)事件的動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行描述和分析.

圖1 LASCO C2及EIT 195 ?視場(chǎng)中兩個(gè)CME事件的演化過程,第1排為事件1,第2排為事件2.圖中我們已經(jīng)標(biāo)注出事件1中CME前沿和亮核,以及事件2中的CME前沿和電流片位置.Fig.1 The evolution process of both CMEs in the fi eld of view of LASCO C2 and EIT 195.Top panel:the fi rst event;Bottom panel:the second event.We have marked the position of CME front and core of the fi rst event,as well as CME front and current sheet of the second event.

3.1 2003年1月3日CME事件

搭載在SOHO衛(wèi)星上的LASCO儀器于2003年1月3日在白光波段觀測(cè)到一個(gè)CME爆發(fā)事件,這次事件同時(shí)也被SOHO上的UVCS、EIT(Extreme ultraviolet Imaging Telescope)等儀器以及 YNAO(Yunnan Observatories)、BBSO(Big Bear Solar Observatory)和KSO(Kanzelhoehe Solar Observatory)的全日面Hα望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到.此次CME的爆發(fā)位于太陽的西北部邊緣,在11:30 UT進(jìn)入LASCO C2的視場(chǎng)中.校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)分析專題研究組(CDAW)的網(wǎng)站[43]給出CME前沿在LASCO視場(chǎng)圖像中的線性擬合速度為521 km/s.但是,在17:30 UT時(shí)刻,附近發(fā)生的另一個(gè)爆發(fā)事件將這個(gè)CME淹沒,所以該CME的后續(xù)演化過程和特征就無法觀測(cè)和研究.將2003年1月1日至1月3日的BBSO、KSO及YNAO Hα圖像(圖2)同相應(yīng)的EIT 195 ?圖像相對(duì)比,我們發(fā)現(xiàn)這次的CME爆發(fā)沒有發(fā)生于活動(dòng)區(qū),而是由位于日面邊緣的一個(gè)暗條爆發(fā)所引起.圖2中標(biāo)注出了3條暗條(日珥),與我們研究事件相關(guān)的是東西走向的暗條(如紅色箭頭所示.由于這個(gè)暗條非常接近日面邊緣,所以要嚴(yán)格區(qū)分它是暗條還是日珥不太容易.我們這里采用一個(gè)折衷的表述方法).在EIT 195 ?圖像中,我們能夠清晰地看到這個(gè)暗條在10:00–10:28 UT之間的某時(shí)刻發(fā)生了“破裂”,接著產(chǎn)生了這次爆發(fā).

圖2 BBSO、KSO及YNAO Hα圖像.其中紅色箭頭標(biāo)示的大致沿東西走向的暗條是我們的研究對(duì)象.右上角白框中是觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡及相應(yīng)觀測(cè)時(shí)間.Fig.2 BBSO,KSO,and YNAO Hα images.The fi lament marked by red arrow nearly along west-east is our research object.The observational telescope and times are included in the white box of upper right corner.

LASCO C2的白光圖像(圖1(a)～(d))表明在西北30?處有一個(gè)向西面擴(kuò)展的明亮前端,其后跟隨有一個(gè)彌散和亮度微弱的結(jié)構(gòu),這應(yīng)該是CME的暗腔.在LASCO C2遮光板附近出現(xiàn)的不斷變大的亮斑是CME的核.CME的前沿在11:30 UT首次出現(xiàn)在LASCO C2的視場(chǎng)中,核進(jìn)入LASCO C2的視場(chǎng)內(nèi)的時(shí)刻大約在12:54 UT左右.從12:54 UT至17:54 UT,我們注意到CME核在日冕儀遮光板附近有明顯增亮膨脹的趨勢(shì),然后同隨后發(fā)生的爆發(fā)事件中的CME相重疊,后者的腿部將該CME的核向北推擠,使其偏離了原先的傳播方向.

根據(jù)CDAW網(wǎng)站中給出的CME前沿在LASCO C2和C3中的高度隨時(shí)間的變化,我們利用二項(xiàng)式擬合,可以得到CME上升的加速度為34.2 m/s2,也可以推算得到CME前沿在某高度處的速度.例如,在5R⊙處的速度大約為368.17 km/s,在10R⊙處的速度大約為610.94 km/s.通過將擬合結(jié)果外推,得到CME前沿速度為零時(shí)的日心距離為2.15R⊙,時(shí)間為10:06 UT.這個(gè)時(shí)刻位于10:00–10:28 UT之間,與根據(jù)EIT資料推算出來的暗條(日珥)爆發(fā)的時(shí)間域大致吻合.

從LASCO C2的相減圖像中我們還能夠很清晰地分辨出CME暗腔當(dāng)中的一些等離子團(tuán)塊(圖3),在CME向外傳播的過程中,它們大致沿著徑向運(yùn)動(dòng).在13:31 UT時(shí)刻我們能夠清晰地識(shí)別出兩塊等離子團(tuán)(見圖3(a)中紅色和藍(lán)色箭頭所示);隨著事件的發(fā)展,在13:54 UT時(shí)刻出現(xiàn)了第3個(gè)等離子團(tuán)(圖3(b)中綠色箭頭所示);但在后續(xù)的發(fā)展過程中,等離子團(tuán)逐漸變暗,尤其是第3個(gè)等離子團(tuán),到14:00 UT之后就已經(jīng)消失不見(參考14:06 UT時(shí)刻的圖3(c)和14:30 UT時(shí)刻的圖3(d)).根據(jù)這些等離子體團(tuán)塊的位置變化,可以得到相鄰時(shí)間間隔內(nèi)等離子團(tuán)運(yùn)動(dòng)的平均速度(見表1).可以看出,它們的運(yùn)動(dòng)整體呈現(xiàn)出減速的趨勢(shì):第1個(gè)團(tuán)塊的運(yùn)動(dòng)速度從每秒400多公里下降到每秒100多公里,第2個(gè)團(tuán)塊的速度從每秒300多公里下降到100 km/s以下,而第3個(gè)團(tuán)塊的速度則無法估算,它在第1個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)一下之后,到第2個(gè)時(shí)刻就消失不見.

圖3 CME的LASCO C2圖像相減像,時(shí)間分別為13:31 UT,13:54 UT,14:06 UT,14:30 UT.Fig.3 The running-di ff erence LASCO C2 images taken at several times during the 2003 January 3 CME event, at 13:31 UT,13:54 UT,14:06 UT,and 14:30 UT,respectively

表1 等離子團(tuán)流動(dòng)速度Table 1 Flow velocity of plasma blobs

3.2 2003年11月4日CME事件

事件2中產(chǎn)生了一個(gè)暈狀CME.該CME在19:54:05 UT進(jìn)入LASCO C2視場(chǎng)中,前端日心距離為4 R⊙,CDAW網(wǎng)站數(shù)據(jù)給出的相應(yīng)速度為2657 km/s.此次CME的爆發(fā)起始于活動(dòng)區(qū)AR10486,事件發(fā)生時(shí),該活動(dòng)區(qū)位于S19W83.與CME爆發(fā)同時(shí)發(fā)生的是在19:36:13 UT時(shí)刻于太陽西部日面邊緣產(chǎn)生的X30.6 X射線耀斑. GOES(Geostationary Operational Environmental Satellite)觀測(cè)顯示軟X射線流量最大值大約在19:47 UT,這是目前觀測(cè)到的最大的軟X射線耀斑爆發(fā),其釋放的總能量和活動(dòng)區(qū)的磁場(chǎng)能量相當(dāng)[44].同時(shí)CDAW給出其加速度為434.8 m/s2.但由于缺少高度測(cè)量,加速度存在很大的不確定性.

圖 1(e)～(h)給出事件2中 CME的演化.CME前沿在 19:54 UT首次出現(xiàn)在LASCO C2的視場(chǎng)中.這次事件同事件 1中 CME爆發(fā)的區(qū)別在于,我們能夠在LASCO C2視場(chǎng)中清楚地觀測(cè)到射線狀結(jié)構(gòu)(即電流片)的存在.同時(shí),我們還觀測(cè)到有等離子團(tuán)沿著電流片遠(yuǎn)離太陽向外運(yùn)動(dòng).Ciaravella&Raymond[15]中給出其運(yùn)動(dòng)速度范圍為480～870 km/s.Song等[45]中同樣對(duì)此次事件中電流片內(nèi)部等離子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了分析,給出觀測(cè)到的5個(gè)團(tuán)塊的運(yùn)動(dòng)速度范圍為586～786 km/s,加速度范圍為?26.1～22.9 m/s2.由于UVCS狹縫在LASCO C2遮光板的下方,假設(shè)等離子團(tuán)出現(xiàn)在這兩個(gè)不同儀器視場(chǎng)中時(shí)速度相同,根據(jù) Ciaravella&Raymond[15]中給出的等離子團(tuán)運(yùn)動(dòng)速度范圍,我們得到等離子體團(tuán)沿著CME爆發(fā)方向的長度范圍為1.2×106～2.7×106km.

4 電流片的光譜特征

UVCS通常在1.5 R⊙～10 R⊙高度范圍內(nèi)觀測(cè)CME及其后面的磁重聯(lián)電流片.這個(gè)范圍往往是CME經(jīng)歷最劇烈加速,并獲得最大動(dòng)能的區(qū)域.另外,發(fā)生在緊隨CME之后電流片中的磁重聯(lián)能夠增加CME結(jié)構(gòu)中的環(huán)向磁場(chǎng)分量以及相應(yīng)的磁通量,在原先沒有磁通量繩的磁位形中產(chǎn)生一個(gè)螺旋磁通量繩[46],而在原先已有磁通量繩的磁位形中,迅速地增加CME的尺度、其中的磁通量及其內(nèi)部磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度[47].因此,UVCS能夠觀測(cè)到CME處于最劇烈演化過程中的許多重要特征和物理性質(zhì).

本文研究的兩個(gè)事件中,事件1發(fā)生時(shí),UVCS(Kohl等[38])入射狹縫的中心位置在PA=300?處,日心距離為1.72 R⊙,能夠獲得[FeXVIII]譜線的有效時(shí)間在11:03–13:02 UT之間.光譜數(shù)據(jù)的曝光時(shí)間為120 s,通過狹縫可以觀測(cè)到在270.4?～336.2?范圍內(nèi)的日冕部分.沿著狹縫的空間分辨率是10個(gè)CCD的像元大小(約合70′′).事件2發(fā)生時(shí),UVCS入射狹縫的中心位置在PA=262?處,日心距離為1.66 R⊙.CCD拍攝獲取光譜數(shù)據(jù)時(shí)的曝光時(shí)間為120 s,狹縫長度覆蓋的日冕范圍在228?～302?之間,沿著狹縫的空間分辨率是6個(gè)CCD像元(約合42′′).

兩個(gè)事件的UVCS觀測(cè)數(shù)據(jù)主要集中在3個(gè)波段范圍內(nèi),分別是Lyα,[FeXVIII]λ974和OVIλλ1032/1037.我們利用為UVCS配備的數(shù)據(jù)分析軟件包(DAS5.1)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,所使用的數(shù)據(jù)均已進(jìn)行波長和光通量校正.校正中的不確定性對(duì)一級(jí)譜線是20%[48],對(duì)次級(jí)譜線是50%[49].UVCS的光路和機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠很好地抑制雜散光,因此雜散光很弱,數(shù)據(jù)中雜散光的影響可被忽略,因此不需要進(jìn)行雜散光的校正.為了得到沿著狹縫在不同空間位置和不同時(shí)間處觀測(cè)到譜線強(qiáng)度的二維圖像,每條光譜線已在光譜方向進(jìn)行積分,并消除了平均譜線背景.表2中我們列出兩個(gè)事件中觀測(cè)期間檢測(cè)和識(shí)別出的譜線,并給出利用CHIANTI 7.1(Bryans等[50]電離平衡方程)得到的輻射離子形成溫度(其中,λobs為譜線的觀測(cè)波長,λID為譜線的理論波長).

表2 UVCS光譜中的譜線識(shí)別Table 2 Lines identi fi ed in UVCS spectra

圖4是兩個(gè)事件的LASCO C2白光像、EIT 195 ?單色像、UVCS狹縫[FeXVIII]單色像的疊加圖,箭頭標(biāo)識(shí)出電流片的位置,從中可以看出,高溫等離子線只出現(xiàn)在一個(gè)相對(duì)較為狹窄的區(qū)域中.圖5是在不同時(shí)刻獲得的UVCS狹縫在[FeXVIII]λ974波段處的一系列單色像,縱坐標(biāo)是沿著狹縫度量的方位角(PA),橫坐標(biāo)是UT時(shí)間.注意:圖5(a)中PA=298?附近和圖5(b)中PA=255?附近的明亮狹窄結(jié)構(gòu)就是電流片;圖5(b)中的豎直亮線為CME的高溫前沿(見Lin等[47]和Lin&Soon[51]的理論計(jì)算以及Raymond等[52]的觀測(cè)結(jié)果).圖6給出了兩次事件中不同時(shí)刻的UV光譜,其中主要的譜線是OVIλλ1032/1037雙線、CIIIλ977、Lyβ、SiXIIλλ499/520和[FeXVIII]λ974.下面我們對(duì)獲得的這兩個(gè)事件的有關(guān)電流片的觀測(cè)數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行介紹,并給出分析結(jié)果.

圖4 (a)事件1中LASCO C2(11:54 UT)、EIT 195 ?(11:48 UT)、UVCS(11:48 UT)的疊加圖像.(b)事件2中LASCO C2(22:30 UT)、EIT 195 ?(22:24 UT)、UVCS(22:24 UT)的疊加圖像.箭頭標(biāo)示位置處為電流片所在處.Fig.4 (a)The combination image of LASCO C2(11:54 UT),EIT 195 ?(11:48 UT),and UVCS(11:48 UT),in the 2003 January 3 event.(b)The combination image of LASCO C2(22:30 UT),EIT 195 ?(22:24 UT),and UVCS(22:24 UT),in the 2003 November 4 event.The arrow indicates the position of CS.

圖5 [FeXVIII]λ974譜線強(qiáng)度隨時(shí)間的變化,(a)為事件1,(b)為事件2.Fig.5 The evolution of[FeXVIII]λ974 line intensity with time.(a)For the fi rst event,and(b)for the second event

圖6 UVCS在電流片區(qū)域可檢測(cè)到的主要發(fā)射線.子圖(a)中給出的是事件1中觀測(cè)到的發(fā)射線,子圖(b)給出的則是在事件2中獲得的相應(yīng)信息.圖中已標(biāo)注出對(duì)應(yīng)譜線位置.Fig.6 The main emission lines detected in the current sheet region by UVCS.(a)For the fi rst event,and(b)for the second event.We have marked the positions of spectral lines.

4.1 譜線強(qiáng)度的空間分布

在圖 6(a)中我們注意到在 SiXII譜線上的輻射先于 [FeXVIII]輻射出現(xiàn),且分布范圍更廣,這很有可能是由 CME出現(xiàn)之前的日冕所產(chǎn)生.圖 7給出 UVCS狹縫[FeXVIII]λ974,SiXIIλ998,OVIλλ1032/1037等譜線上的單色像沿著狹縫的強(qiáng)度分布.沿著狹縫的方向,SiXII有兩處分別位于PA=286?和315?的明亮輻射,非對(duì)稱地分布在[FeXVIII]輻射的兩側(cè)(對(duì)比圖7中第1行的強(qiáng)度分布).在南側(cè)的SiXII輻射強(qiáng)度約為北側(cè)的3倍,并且在兩者之間的強(qiáng)度有所降低,表明在這個(gè)波段觀測(cè)到的相應(yīng)區(qū)域的亮度比周圍區(qū)域的低.對(duì)比圖7左上中在[FeXVIII]譜線中觀測(cè)到的輻射亮區(qū)與圖7右上中在SiXII譜線中觀測(cè)到的暗區(qū)的空間位置,我們發(fā)現(xiàn)它們之間有部分重疊.這表明重疊位置處的等離子體的溫度較高,因此高溫譜線出現(xiàn),而低溫譜線則消失.

Shen等[32]的研究表明在磁重聯(lián)電流片內(nèi)部,在[FeXVIII]譜線上的輻射輪廓在CS的中心位置處達(dá)到最大峰值,而SiXII的強(qiáng)度輪廓以及其他低溫UV譜線在電流片中心的亮度要比鄰近日冕中的低.圖7中[FeXVIII]λ974,SiXIIλ998,OVIλλ1032/1037譜線的分布,符合Shen等[32]中的描述,表明我們這里獲得的結(jié)果支持他們的結(jié)論.

圖7 沿著UVCS狹縫的日冕譜線強(qiáng)度分布,從左上角到右下角分別是[FeXVIII]λ974、SiXIIλ998、OVIλλ1032/1037雙線,橫軸為沿著狹縫方向的方位角.Fig.7 Line intensity distributions of the pre-CME corona along the UVCS slit.From top-left to bottom-right: [FeXVIII]λ974,SiXIIλ998,and OVIλλ1032/1037 double lines.The horizontal axis is the position angle along the UVCS slit.

同事件 1中的電流片的譜線分布類似,事件 2中在 [FeXVIII]譜線上看起來是明亮的區(qū)域,在 OVIλλ1032/1037雙線的波段上卻是相對(duì)較暗的區(qū)域 (圖 6(b)). OVIλλ1032/1037主要分布在電流片的兩側(cè),而 OVIλλ1032/1037雙線在 CME前端通過狹縫之前 (即沒有出現(xiàn)電流片)則是充滿著這一區(qū)域.這看起來如同高溫的[FeXVIII](106.8K)把低溫的OVI(105.3K)推向兩邊.我們認(rèn)為這是由于電流片兩邊的反向磁場(chǎng)相互匯聚,將日冕環(huán)境中的低溫物質(zhì)聚集到電流片的兩邊,這樣OVI雙線中顯示出明亮的區(qū)域.而當(dāng)這些低溫物質(zhì)隨磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)繼續(xù)往電流片中匯聚時(shí),原本的低溫物質(zhì)被加熱到更高的溫度,因此OVIλλ1032/1037雙線消失,出現(xiàn)高溫譜線[FeXVIII].

4.2 電子溫度和輻射量

一般情況下,由UVCS探測(cè)到的譜線輻射的改變是等離子中電子溫度和密度演化的結(jié)果(元素豐度變化引起的強(qiáng)度改變通常是可以忽略的).仿照先前他人的工作(如Ciaravella&Raymond[15]),我們利用SiXII同[FeXVIII]譜線強(qiáng)度的比值來估算電流片區(qū)域中的電子溫度Te.日冕條件下,電子密度足夠低,兩條譜線都是取決于跟隨有自發(fā)輻射的碰撞激發(fā),其強(qiáng)度可表達(dá)如下:

其中Xa是元素X的離子態(tài),AX是相對(duì)豐度,G(T)=AXC(T)是貢獻(xiàn)函數(shù),正比于離子的碰撞激發(fā)率和電離平衡,EM是輻射量,定義為EM=∫LOSdl,ne是電子密度,沿著視線方向積分.電流片中譜線輻射的改變表明溫度隨時(shí)間變化.我們可以將兩條譜線的觀測(cè)強(qiáng)度的比值同CHIANTI光譜代碼中給出的期望值相比對(duì),得到電子溫度.一旦電子溫度確定,我們就可以利用(1)式來推測(cè)輻射量EM值.針對(duì)事件1,基于Bryans等[50]的電離平衡方程,我們利用CHIANTI(ver 7.1)光譜代碼得到[FeXVIII]λ974(實(shí)線)和[SiXII]λ998(虛線)的輻射(圖8).假設(shè)日冕中電子密度為108cm?3,我們進(jìn)一步推算電流片中的電子溫度和相應(yīng)的輻射量EM,見表3.

圖8 左圖:利用CHIANTI光譜代碼(ver 7.1)得到[FeXVIII]λ974(實(shí)線)和SiXIIλ998(虛線)的輻射,基于Byrans等[50]的電離平衡方程.右圖:SiXII同[FeXVIII]譜線輻射的比值Fig.8 Left panel：emissivities of the[FeXVIII]λ974(solid line)and SiXIIλ998(dashed line)lines from the CNIANTI spectral code(ver 7.1),based on the ionization equilibria of Byrans et al[50].Right panel:ratio of the SiXIIto[FeXVIII]line emissivity

需要指出的是,電子溫度確定過程中的不確定性主要來源于[FeXVIII]和SiXII的最大譜線輻射的范圍在溫度上僅有部分重疊(圖8左圖).這意味著,當(dāng)?shù)入x子在某條譜線的顯著響應(yīng)范圍內(nèi)時(shí),另一條譜線將會(huì)很微弱.因此,為了提高信噪比,我們將多個(gè)曝光時(shí)間疊加并平均,然后在多個(gè)空間間隔上對(duì)觀測(cè)到的譜線強(qiáng)度進(jìn)行平均.

4.3 電流片的物理特征

CME爆發(fā)之后,[FeXVIII]λ974的輻射是電流片存在的最顯著表征,尤其是沿著狹縫在很狹窄的區(qū)域中觀測(cè)到,并存在很長時(shí)間.對(duì)電流片結(jié)構(gòu)的物理特征的分析,也主要是依據(jù)[FeXVIII]λ974的輻射.這里,我們先給出數(shù)據(jù)分析的主要方法.

表3 電流片中參量Table 3 Parameters of CS

利用UVCS資料的數(shù)據(jù)分析軟件(DAS 5.1),我們可以選定某一時(shí)刻的數(shù)據(jù)(以事件2中光譜數(shù)據(jù)的20:23 UT時(shí)刻為例),對(duì)其在波長方向上的譜線強(qiáng)度進(jìn)行高斯擬合(圖9(a)).然后根據(jù)得到的擬合強(qiáng)度,在時(shí)間序列上進(jìn)行排列,就能夠得到圖10(c)和(d).根據(jù)[FeXVIII]λ974在波長方向上(圖6光譜圖中的橫向)線心位置為基準(zhǔn),我們對(duì)該位置處的[FeXVIII]輻射沿狹縫的分布(圖6光譜圖中的縱向)進(jìn)行高斯擬合.這樣我們可以得到電流片中高溫等離子體在空間上的分布,并將擬合結(jié)果的線心作為電流片中心的空間位置,擬合結(jié)果的半高全寬做相應(yīng)轉(zhuǎn)換,即為電流片的寬度:

其中,W為電流片的寬度,D為UVCS狹縫位置距離日心的高度,FWHM為擬合得到的半高全寬(單位為弧度).這樣我們既獲得了電流片的空間位置隨時(shí)間的變化,也獲得了其寬度隨時(shí)間的變化.這里,我們選取高斯擬合的近似公式為:

其中,x為變量,f(x)描述了函數(shù)在x上的分布;參量A0是擬合曲線的高度,A1是曲線線心所在位置,A2是曲線的寬度(標(biāo)準(zhǔn)偏差),A3則是一個(gè)常數(shù)項(xiàng).通過擬合結(jié)果反饋的A1和A2的值,我們得以獲取其譜線輪廓的線心值和半高全寬.同樣,我們以2003年11月4日事件20:25 UT時(shí)刻的數(shù)據(jù)為例,可以得到方位角-強(qiáng)度的輪廓圖(圖9(b)),進(jìn)一步得到電流片中心的空間位置,以及電流片的寬度.同樣地,在兩個(gè)事件的時(shí)間序列上進(jìn)行排列,就能夠得到圖10(a)和(b)以及(e)和(f).

通過對(duì)兩次爆發(fā)事件的UVCS數(shù)據(jù)分析,我們發(fā)現(xiàn)電流片結(jié)構(gòu)在垂直視線方向上的空間位置都存在偏移.圖6給出了兩次事件中觀測(cè)期間電流片的整體演化過程.結(jié)合圖10(a)和(b)中測(cè)算的電流片結(jié)構(gòu)方位角變化,我們發(fā)現(xiàn)兩次事件中的電流片結(jié)構(gòu)均存在南向偏移.事件1中電流片結(jié)構(gòu)在大約85 min內(nèi)向南偏移4?(即2.82?/h),事件2中電流片的中心極角值在20:12 UT到00:30 UT期間由PA 258.64?偏移至PA 253.14?,大約1.28?/h.太陽在附近緯度處的自轉(zhuǎn)速度大約為0.6?/h,因此太陽自轉(zhuǎn)完全無法導(dǎo)致這種偏轉(zhuǎn).Ko等[18]對(duì)電流片的動(dòng)力學(xué)特征分析時(shí),指出這種現(xiàn)象應(yīng)該是爆發(fā)過程中磁結(jié)構(gòu)的自我調(diào)節(jié)所致.Ciaravella等[14]對(duì)電流片的偏移給出另兩種解釋:一是電流片兩側(cè)的內(nèi)流速度不對(duì)稱引起;二是冷物質(zhì)從電流片分離,占據(jù)了電流片附近的類似于盔狀冕流的磁力線,在這些位置上,等離子體流進(jìn)電流片的時(shí)間尺度長于沿著磁場(chǎng)通道的流動(dòng)時(shí)間尺度.

從圖10(c)和(d)中我們可以發(fā)現(xiàn),[FeXVIII]譜線強(qiáng)度隨時(shí)間呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).這同Ciaravella&Raymond[15]和Bemporad等[19]中指出的[FeXVIII]強(qiáng)度增加之后,會(huì)隨著CS傳播而呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)的觀點(diǎn)是相一致的.圖10(e)和(f)是兩次事件中[FeXVIII]輻射出現(xiàn)在UVCS狹縫中之后,電流片寬度隨時(shí)間的變化.通過計(jì)算[FeXVIII]譜線強(qiáng)度的半高全寬,我們得到電流片的寬度數(shù)量級(jí)為104km,且電流片的寬度隨時(shí)間呈現(xiàn)先增大后變小的變化趨勢(shì),這同電流片的輻射強(qiáng)度的變化基本是一致的.產(chǎn)生電流片先增大后減小現(xiàn)象的原因有可能是,在CME爆發(fā)初期,磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)加速向外爆發(fā),其拉伸的電流片兩邊的反向磁場(chǎng)迅速向位于中心的電流片靠近,并將大量的環(huán)境日冕物質(zhì)帶入電流片中加熱,這使得電流片在一段時(shí)間內(nèi)增寬.當(dāng)CME爆發(fā)后的磁場(chǎng)逐漸趨于平緩,電流片兩邊的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)向中心靠攏的速率明顯減小,因此電流片的厚度也逐漸減小.

圖9 (a)DAS數(shù)據(jù)分析軟件給出的事件2中20:23 UT時(shí)刻的譜線輪廓.(b)20:25 UT時(shí)刻的[FeXVIII]譜線的方位角-強(qiáng)度擬合曲線Fig.9 (a)Line pro fi le of 20:23 UT in the 2003 November 4 event,given by DAS software.(b)Fitting PA-intensity pro fi le of[FeXVIII]line of 20:25 UT

另外,Lin等[53]中根據(jù)磁重聯(lián)與電流片耗散過程的特點(diǎn),將湍動(dòng)波數(shù)κ和電流片半寬度l與磁重聯(lián)率MA聯(lián)系起來:在確定了等離子團(tuán)對(duì)應(yīng)于撕裂模不穩(wěn)定所產(chǎn)生的磁島之后,我們需測(cè)量出兩個(gè)相鄰團(tuán)塊間的距離λ.由κ=2π/λ,可得到κ值,進(jìn)一步通過不等式推算得到電流片寬度的下限值.針對(duì)事件1,我們得到相鄰等離子團(tuán)距離最小值為7.11×105km.我們?nèi)〈胖芈?lián)率為0.01,得到lmin=3.58×104km,及dmin=7.16×104km.我們發(fā)現(xiàn)dmin明顯大于電流片的平均寬度,且接近最大寬度dmax.這一方面可能是我們選取磁重聯(lián)率的問題,另一方面也有可能是在事件發(fā)展過程中電流片寬度不斷增加造成的.

不管是利用[FeXVIII]譜線強(qiáng)度的半高全寬,還是利用Lin等[53]中的方法對(duì)電流片寬度進(jìn)行計(jì)算,得到的結(jié)果同之前研究文章(如Ciaravella&Raymond[15]、Ko等[18])中給出的結(jié)論相符合.同時(shí),對(duì)兩次事件做對(duì)比,我們發(fā)現(xiàn)電流片的寬度同CME的初始起源區(qū)域關(guān)聯(lián)不大,這也從側(cè)面說明了電流片的大尺度結(jié)構(gòu).

根據(jù)前面介紹的方法和得到的結(jié)果,在我們獲得各個(gè)時(shí)刻電流片中心所在的空間位置之后,反過來可以指導(dǎo)我們將電流片分為上下雙翼.我們注意到,空間中電流片的兩翼,即在狹縫方向上電流片亮度峰值處的上下兩側(cè),[FeXVIII]譜線的多普勒位移有時(shí)并不相同.也就是說,電流片的兩翼的速度并不相同,存在細(xì)微的速度差別.因此我們對(duì)電流片兩翼的[FeXVIII]譜線作高斯擬合,獲得南北兩翼各自譜線線心的位置.根據(jù)多普勒效應(yīng)計(jì)算出電流片兩翼各自的速度,我們就可得到兩翼的速度差值,即它們的相對(duì)速度.

圖10 兩個(gè)事件中電流片方位角(PA)、[FeXVIII]譜線強(qiáng)度和寬度隨時(shí)間的變化.左側(cè)為事件1,右側(cè)為事件2.Fig.10 The temporal variations of PA,[FeXVIII]line intensity,and CS width.Left panel:the fi rst event;Right panel:the second event

利用此種方法,我們?cè)趫D11中給出事件2中電流片南北雙翼在視線方向上的相對(duì)速度,并進(jìn)行多項(xiàng)式擬合(圖中實(shí)線所示).相對(duì)速度從觀測(cè)最初時(shí)刻的50 km/s,在大約50 min后下降變?yōu)榧s?20 km/s,緊接著35 min后相對(duì)速度達(dá)到第1次上升的最大值(約43 km/s).其后,相對(duì)速度開始第2次的下降,在95 min后達(dá)到反向最大速度77 km/s.之后,相對(duì)速度又一次開始上升.在此過程中,電流片兩翼之間的相對(duì)速度在50 km/s到?80 km/s之間變化,且從正向極大轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪驑O大所需的時(shí)間逐漸增加.相對(duì)速度從正向極大向反向極大的轉(zhuǎn)變過程,是電流片下翼速度逐漸低于上翼速度的過程.之后,相對(duì)速度向正向極大轉(zhuǎn)變,電流片的下翼速度開始占優(yōu)勢(shì).相對(duì)速度在“正向極大-反向極大-正向極大”變化過程中,電流片兩翼的磁結(jié)構(gòu)會(huì)存在扭轉(zhuǎn)和反向扭轉(zhuǎn).隨后,電流片兩翼的相對(duì)速度重復(fù)前面的變化規(guī)律,開始第2次改變.盡管在分析數(shù)據(jù)的過程中,有誤差存在,但是我們從圖中擬合實(shí)線還是能夠看出整個(gè)過程的變化具有某種周期特征.

圖11 2003年11月4日事件中電流片南北兩翼的擺動(dòng)速度差隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 The changing curve of the rotation velocity di ff erence with time in the north-south wing of current sheet in the 2003 November 4 event

5 總結(jié)與討論

本文對(duì)2003年1月3日和2003年11月4日的CME爆發(fā)事件進(jìn)行了分析.前者的CME由暗條爆發(fā)引起,并在CME之后有電流片的形成.同之前的大多數(shù)電流片相關(guān)研究文章(如Ciaravella等[13];Ko等[18];Lin等[22])中研究的CME事件的不同之處在于此次CME的爆發(fā)起始于暗條爆發(fā).由于事件1中的耀斑發(fā)生在太陽背面,所以沒有被觀測(cè)到.文中我們主要對(duì)兩次事件CME的動(dòng)力學(xué)特征,以及電流片的光譜學(xué)特征進(jìn)行分析和研究,得到了以下結(jié)果：

(1)我們得到事件1中CME前沿在C2及C3圖像中上升的加速度為34.2 m/s2.同時(shí),對(duì)擬合公式進(jìn)行時(shí)間反推,給出CME前沿速度為零時(shí)所處的日心距離為2.15 R⊙,對(duì)應(yīng)時(shí)間為10:06:15 UT.這個(gè)時(shí)間和高度符合EIT 195 ?、BBSO及YNAO Hα單色像給出的范圍.

(2)在之前的電流片研究文章中(如Ko等[18];Lin等[22]),通常能夠在電流片結(jié)構(gòu)中觀測(cè)到等離子團(tuán)的存在,而觀測(cè)到的暗腔通常呈現(xiàn)彌散狀態(tài).事件1中由于LASCO C2觀測(cè)位置的原因,我們沒有在其視場(chǎng)中看到電流片,但利用LASCO C2相減像,我們清晰地在CME暗腔中看見了“類徑向”的等離子團(tuán)運(yùn)動(dòng),并計(jì)算得到等離子團(tuán)運(yùn)動(dòng)平均速度為93.9～470.6 km/s.這表明CME暗腔內(nèi)的等離子體和磁場(chǎng)分布是不均勻的.

(3)通過兩次事件的光譜資料的分析,我們獲得了在兩次事件產(chǎn)生的電流片的空間位置、強(qiáng)度、厚度等物理參數(shù),并進(jìn)行了分析.結(jié)果表明盡管兩個(gè)事件的起因有所不同,但是電流片中的物理參量的變化特征類似,而且厚度基本在同一個(gè)量級(jí)(4.8×104km).在Ciaravella&Raymond[15]研究的事件中,電流片的厚度在104～105km之間變化,我們的結(jié)果正好在這個(gè)范圍內(nèi).這表明電流片的結(jié)構(gòu)特征與CME源區(qū)的觀測(cè)特征關(guān)系不明顯.其次,電流片的大尺度(包括其厚度在內(nèi))應(yīng)該是一個(gè)普遍特征(也可參考Ciaravella等[14]的簡單綜述).

(4)利用CHIANTI(ver 7.1)光譜代碼和日冕元素豐度,我們計(jì)算了事件1的電流片中的電子溫度和相應(yīng)輻射量(EM),其平均值分別為3.86×106K和6.1×1024cm?5.這同Ciaravella&Raymond[15]得到的事件2的結(jié)果相比,略為偏低,分別有1.36和1.5倍的差別.兩次事件的電流片中的電子溫度和輻射量差別不大,再次表明電流片的結(jié)構(gòu)和等離子體的特征參量并不十分依賴于CME的起始狀態(tài).

(5)對(duì)事件2中的電流片的運(yùn)動(dòng)特征的分析,結(jié)果表明電流片結(jié)構(gòu)存在南向偏移,這有可能是電流片內(nèi)部兩側(cè)的等離子體速度不對(duì)稱造成的;同時(shí)我們還發(fā)現(xiàn)電流片兩翼在視線方向上的運(yùn)動(dòng),呈現(xiàn)某種周期性變化,表明電流片自身存在來回的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).這有可能是爆發(fā)前由剪切和扭曲儲(chǔ)存在磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)中的磁螺度在爆發(fā)中釋放,從而帶動(dòng)整個(gè)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生振蕩式扭轉(zhuǎn)的結(jié)果.

(6)我們的工作與Ciaravella&Raymond[15]的工作相比有兩點(diǎn)不同:一是測(cè)量厚度的方法不同,但是得到類似的結(jié)果;二是他們沒有研究扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).過去對(duì)電流片的研究(如Ko等[18];Lin等[22])涉及到了電流片的偏轉(zhuǎn),但是沒有研究其扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).電流片扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的出現(xiàn),說明爆發(fā)前的日冕磁結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)要比我們?cè)认胂蟮膹?fù)雜得多.

但在研究事件1的過程中,存在若干問題使我們無法進(jìn)一步對(duì)此事件進(jìn)行分析:

(1)由于MLSO MK4(Mauna Loa Solar Observatory MK4)的標(biāo)準(zhǔn)觀測(cè)時(shí)間是17:00–02:30 UT(天氣情況允許的情況下),故對(duì)此次事件沒有觀測(cè)記錄.一方面,致使我們無法研究這次爆發(fā)事件起始階段的物理特性.另一方面,由于觀測(cè)時(shí)間限制,沒有MLSO MK4 pB圖像.在數(shù)據(jù)存在情況下,我們可以從中得到電子柱密度Ne,從而可以利用從[FeXVIII]得到的EM與Ne的比值計(jì)算電子密度ne=EM/Ne.給出ne之后,可計(jì)算沿著視線方向的深度d=Ne/ne.利用上述物理參量,可進(jìn)一步推斷相關(guān)的投影效應(yīng).Ciaravella&Raymond[15]利用此方法針對(duì)2003年11月4日事件,推算出觀測(cè)厚度為真實(shí)厚度的2.5～5倍.

(2)爆發(fā)過程中,有電流片的形成,但我們沒有在LASCO C2的視場(chǎng)中觀測(cè)到,只有由UVCS的光譜數(shù)據(jù)表明電流片的存在,缺少識(shí)別CS的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn).在Lin&Forbes[12]模型中,電流片存在于耀斑和CME之間,但在此次爆發(fā)的EIT 195 ?圖像中沒有觀測(cè)到耀斑的出現(xiàn).

(3)UVCS光譜數(shù)據(jù)中表明電流片存在的時(shí)間間隔為11:40–13:02 UT,致使我們無法研究電流片的后續(xù)演化.Ciaravella&Raymond[15]及Bemporad等[19]文章中后續(xù)[FeXVIII]λ974譜線強(qiáng)度的變化同Susino等[54]中有明顯區(qū)別(前者緩慢變大,后者緩慢變小),表明電流片在演化過程呈現(xiàn)出復(fù)雜性.

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An Observational Research on Magnetic Reconnection Current Sheet Occurred in Two Solar Eruptions

CAI Qiang-wei1,2WU Ning3LIN Jun1
(1 Yunnan Observatories,Chinese Academy of Sciences,Kunming 650011)
(2 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)
(3 School of Tourism and Geographical Sciences,Yunnan Normal University,Kunming 650031)

The coronal magnetic con fi guration is severely stretched by the disruption in the process of coronal mass ejection(CME),pushing the magnetic fi elds of opposite polarity to approach one another,and creating a magnetic neutral region(current sheet) behind CME.Magnetic reconnection taking place inside the current sheet converts the magnetic energy into heat and kinetic energy of the plasma,and the kinetic energy of energetic particles.The role of the current sheet in this process is two-fold:the region where reconnection occurs,and connecting the fl are to the associated CME.We studied the events of 2003 January 3 and 2003 November 4,respectively.Development of the current sheet was observed in both cases.We investigated the dynamic features of the two events,as well as physical properties of the current sheet,on the basis of analyzing the observational data from LASCO(Large Angle and Spectrometric Coronagraph)and UVCS(Ultraviolet Coronagraph Spectrometer)on board SOHO(Solar and Heliospheric Observatory),and the Hαdata from BBSO(Big Bear Solar Observatory)and YNAO (Yunnan Observatories).The existence of ions with high ionization state,such as Fe+17and Si+11,indicated a high temperature up to 3×106?5×106K.Direct measurements showed that the apparent thickness of the current sheet varies from 1.3×104to 1.1×105km,which increases fi rst and then decreases with time.Using the CHIANTI code(v.7.1),we further calculated the averages of the electron temperature and the corresponding emission measure in the current sheet of the 2003 January 3 event,which were about 3.86×106K and 6.1×1024cm?5,respectively.We also noticed that the current sheet twisted forth and back in a quasi-periodical fashion during the event on 2003 November 4 by analyzing the data from SOHO/UVCS.

Sun:coronal mass ejections(CMEs),Sun:current sheet,Sun:emission measure,Sun:UV radiation

P182;

A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2015.06.006

2015-03-18收到原稿,2015-04-30收到修改稿

?973項(xiàng)目(2013CBA01503)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11273055,11333007)及中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)B類項(xiàng)目(XDB09040202)資助

?caiqiangwei@ynao.ac.cn

?Ningwu@ynnu.edu.cn