冕流電流片的白光和紫外觀測(cè)研究?

史廣祿 應(yīng)蓓麗 封 莉 黎 輝 楊翠紅

(1中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)南京210023)

(2南京信息工程大學(xué)物理與光電工程學(xué)院南京210044)

(3中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院合肥230026)

1 引言

日冕物質(zhì)拋射(Coronal Mass Ejection,CME)是大尺度的磁化等離子體從太陽(yáng)大氣拋向行星際空間的現(xiàn)象,是最劇烈的太陽(yáng)活動(dòng)之一.目前,已建立的有關(guān)太陽(yáng)活動(dòng)爆發(fā)的CME模型認(rèn)為CME的爆發(fā)是由于系統(tǒng)不穩(wěn)定性導(dǎo)致的,原先儲(chǔ)藏在太陽(yáng)磁場(chǎng)中的磁能以焦耳耗散和等離子體加速的形式轉(zhuǎn)化為熱能和動(dòng)能.現(xiàn)有理論普遍認(rèn)為,磁重聯(lián)在整個(gè)CME爆發(fā)過(guò)程中扮演了重要角色.Priest等[1]指出在太陽(yáng)活動(dòng)爆發(fā)的過(guò)程中,處于閉合狀態(tài)的磁力線由于受到外部的擾動(dòng)會(huì)被嚴(yán)重拉伸,通常在中性區(qū)域內(nèi)會(huì)形成電流片,磁重聯(lián)很有可能發(fā)生在電流片中.Lin等[2]利用多個(gè)儀器對(duì)2003年11月18日爆發(fā)的CME事件觀測(cè)進(jìn)行研究,其中遠(yuǎn)紫外日冕成像光譜儀(Ultraviolet Coronagraph Spectrometer,UVCS)的Lyα數(shù)據(jù)顯示在磁重聯(lián)區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)很暗的間隙,且隨著時(shí)間的演化間隙逐漸變窄直至消失,他們認(rèn)為L(zhǎng)yα的低輻射是由約200 km·s?1的外流產(chǎn)生的多普勒暗化引起的,且間隙的消失與電流片附近的磁重聯(lián)入流有關(guān),并計(jì)算得到入流的速度范圍為10.5–106 km·s?1.Ciaravella等[3]通過(guò)對(duì)CME后方電流片的大角度光譜日冕儀(Large Angle and Spectrometric Coronagraph,LASCO)與UVCS光譜數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)研究,表明從LASCO圖像中挑選出的23%的射線結(jié)構(gòu)是含有冷物質(zhì)的磁流管,18%的射線結(jié)構(gòu)具有與電流片解釋一致的高溫特征,59%的射線結(jié)構(gòu)是在太陽(yáng)活動(dòng)爆發(fā)之后形成的冕流.

冕流通常被認(rèn)為是日冕中相較于背景更亮的延伸結(jié)構(gòu),按磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為盔狀冕流和偽冕流兩類,盔狀冕流中同樣會(huì)有電流片形成.不管是冕流電流片還是CME電流片,只要電流片被拉伸后其長(zhǎng)度和厚度比達(dá)到一定閾值,發(fā)生在其中的撕裂模不穩(wěn)定性物理過(guò)程是一致的.區(qū)別在于冕流電流片是被向外膨脹的太陽(yáng)風(fēng)拉伸的,而CME電流片則是被受擾的日冕磁場(chǎng)拉伸的.盡管CME電流片和冕流電流片具有相同的物理本質(zhì),但是二者在動(dòng)力學(xué)特征上卻有很大差異.冕流電流片相對(duì)穩(wěn)定,而CME電流片在爆發(fā)過(guò)程中形成,因而是高度動(dòng)態(tài)變化的[4].Song等[5]通過(guò)對(duì)盔狀冕流中等離子體團(tuán)的研究發(fā)現(xiàn),盔狀冕流中等離子體團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度要低于CME電流片,他們認(rèn)為運(yùn)動(dòng)速度的不同是由于重聯(lián)過(guò)程發(fā)生在不同的環(huán)境中.盔狀冕流中等離子體團(tuán)的運(yùn)動(dòng)速度和慢速太陽(yáng)風(fēng)一致,在5 R⊙范圍內(nèi)速度一般小于200 km·s?1,而CME電流片中的等離子體團(tuán)則有200–1000 km·s?1左右的速度.

對(duì)于電流片的研究,不僅需要合理的模型,更需要高精度、多波段的觀測(cè)設(shè)備.先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)(Advanced Space-based Solar Observatory,ASO-S)是我國(guó)首顆太陽(yáng)衛(wèi)星[6],萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡(Lyman-alpha Solar Telescope,LST)為其3個(gè)重要載荷之一,可以從可見(jiàn)光和Lyα波段對(duì)耀斑、CME、暗條/日珥等爆發(fā)活動(dòng)進(jìn)行高時(shí)間和空間分辨率的觀測(cè)[7],可用于研究分析電子數(shù)密度、速度和溫度等物理參量[8].LST由日冕成像儀(Solar Corona Imager,SCI)、日面成像儀(Solar Disk Imager,SDI)和白光太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡(White-light Solar Telescope,WST)3部分構(gòu)成[9],SCI可同時(shí)進(jìn)行白光偏振和Lyα輻射成像觀測(cè),這對(duì)于推導(dǎo)CME等事件的基本物理參數(shù)至關(guān)重要[10].未來(lái)隨著ASO-S衛(wèi)星發(fā)射升空,SCI對(duì)日冕的觀測(cè)可以為冕流電流片的研究提供重要數(shù)據(jù)支持.

之前人們的工作往往集中于對(duì)電流片中Fe、Si、O等元素譜線的研究[11–14],而很少有同時(shí)對(duì)Lyα譜線和[Fe xviii]譜線的研究.由于Lyα譜線的強(qiáng)度比[Fe xviii]譜線高兩個(gè)數(shù)量級(jí),因此與Lyα譜線相比,[Fe xviii]譜線顯得很微弱以致于無(wú)法明顯觀測(cè)到.因而UVCS的電流片觀測(cè)很少同時(shí)有Lyα和[Fe xviii]譜線的數(shù)據(jù).UVCS的觀測(cè)尤其是Lyα波段,對(duì)于后期基于SCI的Lyα觀測(cè)研究日冕中各類結(jié)構(gòu)的物理特性具有重要的指導(dǎo)意義.因而,我們遍歷了UVCS的電流片觀測(cè)數(shù)據(jù),選取了2003年1月3日觀測(cè)到的一個(gè)冕流電流片進(jìn)行研究.本文利用現(xiàn)有儀器的白光和紫外觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該電流片進(jìn)行分析,研究其在不同波段下的特征.文章第2部分介紹本文所采用的白光和紫外觀測(cè)儀器.第3部分介紹電流片在白光和紫外波段的觀測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果.由于未來(lái)SCI僅有沿波長(zhǎng)的積分強(qiáng)度觀測(cè),而無(wú)譜線輪廓信息,因而,本文我們僅側(cè)重于UVCS觀測(cè)中輻射強(qiáng)度的分析.第4部分對(duì)此工作進(jìn)行總結(jié)與展望.

2 觀測(cè)儀器

冕流電流片可以通過(guò)多種儀器進(jìn)行觀測(cè),本文利用的數(shù)據(jù)來(lái)自于搭載在太陽(yáng)和日球?qū)犹綔y(cè)器(Solar and Heliospheric Observatory,SOHO)衛(wèi)星上的LASCO和UVCS兩個(gè)儀器.

LASCO包含有3個(gè)可同時(shí)拍攝日冕的儀器,分別為C1、C2、C3,觀測(cè)視場(chǎng)為1.1–30 R⊙(其中,C1:1.1–3 R⊙,C2:1.5–6 R⊙,C3:3.7–30 R⊙)[15].根據(jù)3個(gè)儀器的視場(chǎng)大小,針對(duì)此冕流電流片的觀測(cè),我們選取的是LASCO C2的白光觀測(cè)數(shù)據(jù).

UVCS可用于對(duì)所探測(cè)到的離子光譜進(jìn)行分析診斷.其視場(chǎng)為長(zhǎng)42′、寬84′′的一條狹縫,觀測(cè)范圍為1.5–10 R⊙,可對(duì)太陽(yáng)任意方位角進(jìn)行成像[16].UVCS由Lyα、O vi、白光通道3部分組成[17].Lyα通道可用于探測(cè)H i 1216?A以及波長(zhǎng)1145–1287?A范圍內(nèi)的光譜線;O vi通道可用于探測(cè)波長(zhǎng)在937–1126?A(1級(jí))以及492–540?A(2級(jí))范圍內(nèi)的光譜線,并且O vi通道在Lyα光束的路徑上加裝了一面平面鏡,用于探測(cè)Lyα(1級(jí))和Mg v 610/625?A(2級(jí)),這條光束被稱為L(zhǎng)yα“冗余”通道,“冗余”通道可探測(cè)的波長(zhǎng)范圍為1160–1270?A(1級(jí))以及580–635?A(2級(jí));白光通道主要用于探測(cè)日冕的偏振輻射,此通道由入射孔、旋光儀組件和光電倍增管構(gòu)成,可用于偏振測(cè)量.本文所研究的[Fe xviii]和Lyα兩條譜線來(lái)自于UVCS的O vi以及“冗余”通道所探測(cè)的數(shù)據(jù).

3 觀測(cè)與分析結(jié)果

我們從LASCO CME和UVCS CME事件列表中挑選待研究的冕流電流片,目標(biāo)是尋找同時(shí)具有白光、[Fe xviii]和Lyα譜線觀測(cè)的電流片.[Fe xviii]譜線的形成溫度和電流片的特征溫度最為接近,而Lyα譜線是ASO-S衛(wèi)星上SCI日冕儀所采用的譜線,LASCO的觀測(cè)則對(duì)應(yīng)于SCI白光連續(xù)譜的觀測(cè).現(xiàn)從白光和紫外觀測(cè)兩個(gè)角度,對(duì)我們所選的電流片進(jìn)行分析.

3.1 白光觀測(cè)及分析

盔狀冕流爆發(fā)(Streamer blowout)[18]事件發(fā)生于2003年1月1日在太陽(yáng)西北邊緣方位角(Polar Angle,PA)約325?位置處.圖1中LASCO C2的圖像展示了盔狀冕流從1月1日08:30世界時(shí)(Universal Time,UT)到1月3日10:34 UT之間的演化過(guò)程,為了消除F冕(由行星際塵埃云散射太陽(yáng)光球輻射形成的日冕成分)以及儀器雜散光的影響使得圖像中的結(jié)構(gòu)更加清晰,我們?cè)贚ASCO C2原圖的基礎(chǔ)上減去了月最小背景,得到了圖1左列所展示的圖像.圖1右列為銳化圖像,是通過(guò)減去左列圖像相應(yīng)的平滑像而獲得的.從圖1(上)可以明顯看到最初形成的盔狀冕流結(jié)構(gòu),隨后一個(gè)CME從盔狀冕流中爆發(fā)出來(lái),并包含一個(gè)具有“V”形磁繩結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1(中)).CME爆發(fā)后形成了新的冕流結(jié)構(gòu),圖1(下)在CME所在方位角范圍內(nèi)可看到其精細(xì)結(jié)構(gòu).

圖1 LASCO C2拍攝到的盔狀冕流(上)、冕流噴發(fā)出的CME(中)和新形成的冕流(下)的圖像.左列圖像減去了月最小背景,右列銳化圖像是通過(guò)減去左列圖像的空間平滑像而獲得的.圖中的“T”表示觀測(cè)時(shí)間.Fig.1 LASCO C2 images of the helmet streamer(top panel),the streamer blowout CME(middle panel),and the newly formed streamer(bottom panel).Left panel:Images processed by subtracting the minimum background of the month.Right panel:Sharp images obtained by subtracting the spatially smoothed version of each left-hand image.The“T”represents the observation time in the images.

在上述已形成的盔狀冕流電流片南側(cè),通過(guò)LASCO C2的觀測(cè)可以看到從2003年1月3日10:56 UT開(kāi)始,在太陽(yáng)西北邊緣處相繼爆發(fā)了3個(gè)CME.其中我們根據(jù)LASCO數(shù)據(jù)分析網(wǎng)站(Coordinated Data Analysis Workshops,CDAW)[19]的CME事件數(shù)據(jù)庫(kù),發(fā)現(xiàn)PA≈283?位置處的較寬CME的速度約為520 km·s?1.通過(guò)對(duì)中心位置PA≈325?處窄CME的亮前沿進(jìn)行追蹤,計(jì)算得到了此窄CME的線性平均速度約為530 km·s?1.我們所研究的冕流電流片在這兩個(gè)CME爆發(fā)之前已經(jīng)形成.圖2左圖展示的是14:50 UT時(shí)刻LASCO C2拍攝的經(jīng)過(guò)處理的動(dòng)態(tài)相減圖像與極紫外成像望遠(yuǎn)鏡(Extreme Ultraviolet Imaging Telescope,EIT)195?A對(duì)日面成像的組合圖.圖中標(biāo)注的白色箭頭為觀測(cè)到的冕流電流片中的等離子體團(tuán),紅色箭頭標(biāo)記的位置為向外拉伸的狹窄且明亮的冕流電流片結(jié)構(gòu),綠色箭頭指向PA≈325?處的窄CME,其南側(cè)為PA≈283?處的較寬CME.

圖2左圖:2003年1月3日冕流電流片的LASCO C2動(dòng)態(tài)相減和EIT 195?A的組合圖像.綠色箭頭指向CME,白色箭頭指向等離子體團(tuán),紅色箭頭指向冕流電流片.右圖:時(shí)間-距離圖和時(shí)間-速度圖可用于計(jì)算等離子體團(tuán)的速度和加速度.Fig.2 Left panel:The combination of LASCO C2 running-difference and EIT 195?A image of the streamer current sheet(CS)on 2003 January 3.The green arrow indicates the CME,the white arrow indicates the streamer blob,and the red arrow indicates the streamer CS.Right panel:Time-distance and time-sp eed diagrams can be used to obtain the sp eed and acceleration of the blob.

圖2 右圖展示的是電流片中等離子體團(tuán)的時(shí)間-距離和時(shí)間-速度圖.我們使用黃色十字描點(diǎn)出了對(duì)應(yīng)于圖2左圖中白色箭頭標(biāo)注的冕流電流片中等離子體團(tuán)的上下邊界,隨后利用二階多項(xiàng)式對(duì)所選的坐標(biāo)點(diǎn)分別進(jìn)行擬合.為了減小計(jì)算誤差,我們將擬合得到的等離子體團(tuán)上下邊界的時(shí)間-距離曲線取平均值,圖中的黃色實(shí)線可近似為等離子體團(tuán)中心運(yùn)動(dòng)的時(shí)間-距離曲線,對(duì)應(yīng)于左邊縱坐標(biāo)的日心距離值.黃色虛線為對(duì)黃色實(shí)線求一階導(dǎo)數(shù)后得到等離子體團(tuán)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間-速度曲線,對(duì)應(yīng)于右邊縱坐標(biāo)的速度值.可以看到在LASCO C2視場(chǎng)范圍內(nèi),等離子體團(tuán)的速度從v～60 km·s?1逐漸增加至v～340 km·s?1,加速度為a～60 m·s?2.

Abbo等[20]的文章中指出在高度約為3–4 R⊙處的冕流等離子體團(tuán)在天空平面的投影速度約為0–100 km·s?1,高度約為20 R⊙處的冕流等離子體團(tuán)的速度約為200–400 km·s?1.Lin等[2]所分析的CME電流片中等離子體團(tuán)的速度范圍為460–1075 km·s?1,加速度范圍為16.7–158 m·s?2.我們所研究冕流電流片中的等離子體團(tuán)速度要高于一般冕流電流片中的速度,但又略低于一般CME電流片中的速度或處于其下限值.根據(jù)磁重聯(lián)理論,電流片中等離子體團(tuán)的速度和電流片外部附近的阿爾芬速度相當(dāng).一個(gè)可能的解釋是由于PA≈325?處窄CME的向外傳播過(guò)程中,提高了電流片附近的阿爾芬速度,使得此冕流電流片中等離子體團(tuán)的速度高于以慢速太陽(yáng)風(fēng)為特征速度的一般冕流電流片中的速度.

3.2 紫外觀測(cè)及分析

3.2.1 電流片的UVCS譜線觀測(cè)

我們選取的UVCS觀測(cè)時(shí)間從15:08 UT開(kāi)始到16:13 UT結(jié)束,在此之前UVCS未進(jìn)行Lyα和[Fe xviii]觀測(cè).UVCS狹縫中心的位置在PA=300?處,與日心的距離為1.77 R⊙.我們利用UVCS數(shù)據(jù)分析程序(DAS v.51)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行配置、波長(zhǎng)和輻射的校正.圖3展示了UVCS在不同時(shí)刻探測(cè)到的極紫外(Extreme Ultraviolet,EUV)發(fā)射譜線,其中T表示曝光時(shí)間,從圖中可以看到Si xii、O vi、Lyα、Lyβ和[Fe xviii]等多條發(fā)射譜線.這里需要指出的是對(duì)于一般冕流電流片,其典型溫度和寧?kù)o日冕溫度相仿.UVCS不會(huì)探測(cè)到它們有譜線形成溫度lg Te～6.8的高溫[Fe xviii]輻射[20].我們研究的冕流電流片之所以能被探測(cè)到有[Fe xviii]輻射,可能的原因在于其南側(cè)兩個(gè)CME事件的爆發(fā)促進(jìn)了電流片中的磁重聯(lián)過(guò)程,從而有更多的自由磁能被釋放并用于電流片中等離子體的加熱和加速.

圖3 UVCS對(duì)2003年1月3日冕流電流片探測(cè)到的EUV發(fā)射譜線Fig.3 EUV spectral emission lines detected by UVCS on 2003 January 3

3.2.2 電流片橫截面上Lyα和[Fe xviii]的強(qiáng)度分析

我們從UVCS對(duì)該電流片探測(cè)到的多條發(fā)射譜線中挑選出具有代表性的Lyα和[Fe xviii]兩條譜線進(jìn)行詳細(xì)分析,由于LST上的SCI日冕儀僅有強(qiáng)度觀測(cè),因此本文將集中分析這兩條譜線的強(qiáng)度特征.

3.2.2.1 電流片橫截面上Lyα和[Fe xviii]的強(qiáng)度分布

圖4展示了2003年1月3日的冕流電流片的LASCO C2,EIT 195?A和UVCS探測(cè)到的譜線強(qiáng)度的組合圖.其中,LASCO C2為15:26 UT時(shí)刻日冕動(dòng)態(tài)相減圖像,圖中標(biāo)注的虛線對(duì)應(yīng)的位置PA≈325?處可以明顯看到一個(gè)狹窄明亮的電流片結(jié)構(gòu).

圖4 2003年1月3日CME事件的LASCO C2動(dòng)態(tài)相減,EIT 195?A和譜線沿UVCS狹縫分布的強(qiáng)度組合圖像.上圖為[Fe xviii]譜線沿UVCS狹縫的強(qiáng)度圖,下圖為L(zhǎng)yα譜線沿UVCS狹縫的強(qiáng)度圖.Fig.4 The comp osite images of LASCO C2 running-difference,EIT 195?A,and line intensity distribution along the UVCS slit on 2003 January 3.Top panel:The intensity distribution of the[Fe xviii]line along the UVCS slit.Bottom panel:The intensity distribution of the Lyαline along the UVCS slit.

上圖疊加了[Fe xviii]譜線沿UVCS狹縫視場(chǎng)的強(qiáng)度圖,下圖疊加了Lyα譜線的強(qiáng)度圖,兩條譜線的強(qiáng)度為與LASCO對(duì)應(yīng)時(shí)刻UVCS探測(cè)到的譜線強(qiáng)度經(jīng)過(guò)16 min時(shí)間間隔平均得到的.其中,[Fe xviii]譜線強(qiáng)度減去了UVCS探測(cè)到的譜線周圍的噪聲強(qiáng)度,Lyα譜線強(qiáng)度扣除了后一天同一高度處的背景強(qiáng)度值.由于此事件只有1 h的Lyα觀測(cè)時(shí)間且除了所研究的電流片,另外還有兩個(gè)CME事件發(fā)生在附近形成干擾,所以我們沒(méi)有能得到電流片出現(xiàn)前的寧?kù)o日冕Lyα背景,只能選用后一天相同高度的寧?kù)o日冕Lyα輻射做為背景.從[Fe xviii]和Lyα二者譜線強(qiáng)度圖的比較中可以看出,[Fe xviii]譜線在電流片位置處相對(duì)于電流片周圍有明顯增亮,而Lyα譜線相對(duì)于周圍變化不明顯,另一方面在電流片內(nèi)部,其中心比兩側(cè)的Lyα輻射稍弱.

為了進(jìn)一步定量比較Lyα和[Fe xviii]譜線強(qiáng)度在電流片位置處的差別,類似于Ciaravella等[21]的方法,我們利用雙高斯函數(shù)對(duì)Lyα譜線的輪廓進(jìn)行擬合,分離出了日冕背景與電流片對(duì)Lyα譜線強(qiáng)度貢獻(xiàn).圖5左圖為[Fe xviii]譜線強(qiáng)度沿UVCS狹縫分布的曲線,圖中標(biāo)注的兩條紅色虛線PA介于323.8?–327.1?間的區(qū)域?yàn)樵趫D4的白光圖像中觀測(cè)到的電流片的位置.我們發(fā)現(xiàn)[Fe xviii]譜線在電流片處的強(qiáng)度明顯高于周圍的強(qiáng)度,其平均強(qiáng)度～7.0×109photons·cm?2·s?1·sr?1,約是周圍強(qiáng)度的2倍.圖5右圖為雙高斯擬合的一個(gè)典型結(jié)果示例,其中線寬較寬峰值較小的高斯輪廓(下方點(diǎn)線表示)為電流片的貢獻(xiàn),約占總強(qiáng)度約26%,而線寬較窄峰值較高的高斯輪廓(上方點(diǎn)線表示)為背景日冕的貢獻(xiàn),其中電流片分量的線寬對(duì)應(yīng)于電子溫度lg Te～6.5.電流片和背景日冕兩個(gè)分量之和用虛線表示,和原始觀測(cè)到的Lyα譜線輪廓(直角線)結(jié)果一致.我們按照由[Fe xviii]譜線輻射推導(dǎo)出來(lái)的電子溫度范圍lg Te～6.47–6.61(電子溫度計(jì)算見(jiàn)3.2.2.2節(jié))來(lái)設(shè)定電流片分量的線寬,發(fā)現(xiàn)電流片貢獻(xiàn)的Lyα譜線強(qiáng)度約占總強(qiáng)度的18%–32%.Ciaravella等[21]在假設(shè)電子溫度lg Te～6.7條件下,計(jì)算得到電流片對(duì)Lyα譜線強(qiáng)度的貢獻(xiàn)為10%.Lyα譜線強(qiáng)度在電流片內(nèi)部呈現(xiàn)出兩側(cè)大中間小的分布,當(dāng)lg Te～6.5時(shí),其兩側(cè)的強(qiáng)度～6.05×1010photons·cm?2·s?1·sr?1,中間的強(qiáng)度～4.97×1010photons·cm?2·s?1·sr?1.同時(shí),我們計(jì)算得到Lyα譜線的強(qiáng)度是[Fe xviii]譜線的7.1–8.6倍.

3.2.2.2 電流片橫截面上Lyα和[Fe xviii]的輻射和溫度分析

[Fe xviii]譜線是由于日冕中的自由電子與鐵離子碰撞,使得鐵離子中的電子躍遷至激發(fā)態(tài),在電子退激發(fā)的過(guò)程中會(huì)形成發(fā)射譜線.因此[Fe xviii]發(fā)射線主要是由于碰撞引起的,其發(fā)射率為[22]:

其中,jcoll為發(fā)射率(單位為photons·cm?3·s?1·sr?1),b為分支比,ne為電子數(shù)密度,ni為[Fe xviii]離子數(shù)密度,qcoll(Te)為碰撞激發(fā)率:

上式中,Te為電子溫度,E12為電子躍遷能,f12為躍遷振子強(qiáng)度,ˉg為岡特因子,kB為玻爾茲曼常數(shù).(1)式中的ne和ni存在函數(shù)關(guān)系:

其中,Ael為元素豐度,R(Te)為元素電離率.由文章前半部分的討論可知,電子數(shù)密度ne可從LASCO C2的白光圖像中計(jì)算得到,上述式中的Ael、R(Te)和qcoll(Te)均可由天體物理等離子體光譜診斷原子數(shù)據(jù)庫(kù)CHIANTI光譜代碼(v.9.0)計(jì)算得到(由Dere等[23]在1997年首次對(duì)外發(fā)布),對(duì)碰撞項(xiàng)發(fā)射率jcoll沿視線方向(LOS)對(duì)自變量l積分,即可得到[Fe xviii]譜線的輻射強(qiáng)度Iobs.因此,[Fe xviii]譜線的強(qiáng)度為:

圖5 左圖:[Fe xviii]譜線沿UVCS狹縫的強(qiáng)度分布.右圖:電流片位置處Lyα譜線的雙高斯函數(shù)擬合曲線,下方點(diǎn)線為電流片貢獻(xiàn)的Lyα譜線輪廓,上方點(diǎn)線為日冕背景貢獻(xiàn)的Lyα譜線輪廓.Fig.5 Left panel:Intensity distribution of the[Fe xviii]line along the UVCS slit.Right panel:Double Gaussian function f itting curves of Lyαline at the position of the CS,the dotted line below is the Lyα prof ile contributed by the CS,and the dotted line above is the Lyαprof ile contributed by the coronal background.

Lyα譜線具有與[Fe xviii]譜線類似的由碰撞產(chǎn)生的輻射,日冕中的電子與中性氫原子碰撞引起的輻射同樣可以利用上式進(jìn)行計(jì)算[24].圖6為L(zhǎng)yα(實(shí)線)和[Fe xviii](虛線)譜線的元素電離率R(Te)(左圖)和碰撞激發(fā)率qcoll(Te)(右圖)隨電子溫度的變化曲線.從圖中可以看出,Lyα譜線的元素電離率隨電子溫度的增加而明顯減小,碰撞激發(fā)率先增加后減小,在電子溫度lg Te～5.7時(shí)達(dá)到峰值;[Fe xviii]譜線的元素電離率隨電子溫度的函數(shù)近似呈高斯分布,在電子溫度lg Te～6.8處達(dá)到峰值,碰撞激發(fā)率則不斷減小.

Qu′emerais等[25]根據(jù)白光日冕的湯姆遜散射機(jī)制提出了計(jì)算電子數(shù)密度的方法.LASCO C2的白光數(shù)據(jù)可用來(lái)計(jì)算電流片中的電子數(shù)柱密度Ne:

對(duì)電子數(shù)密度ne沿LOS積分即為電子數(shù)柱密度Ne.由于我們只有2維圖像,無(wú)法得到電子數(shù)密度ne的3維空間分布,此處用平均電子數(shù)密度ˉne替代電子數(shù)密度ne,這樣被積函數(shù)可提到積分號(hào)外面,對(duì)l沿視線方向積分得到視向深度L.因此,只需要假設(shè)合理的電流片視向深度L,就可以計(jì)算出電流片中的平均電子數(shù)密度.圖3中LASCO C2視場(chǎng)的最低高度為2.10 R⊙,而此時(shí)UVCS所探測(cè)電流片位置的高度為1.95 R⊙.因此為了得到電流片中的平均電子數(shù)密度ˉne,我們沿電流片徑向?qū)ASCO C2的白光強(qiáng)度數(shù)據(jù)擬合,外推得到了1.95 R⊙高度處的白光強(qiáng)度.利用(5)式,假設(shè)視向深度L～0.3–1.5 R⊙(根據(jù)Ciaravella等[11],Kwon等[26]計(jì)算的結(jié)果),計(jì)算出了1.95 R⊙高度處電流片中的平均電子數(shù)密度為～(1.52–7.60)×107cm?3.

圖6 Lyα(實(shí)線)和[Fe xviii](虛線)譜線的元素電離率(左圖)和碰撞激發(fā)率曲線(右圖)Fig.6 Ionized fraction(left panel)and collisional excitation rate(right panel)curves of Lyα(solid line)and[Fe xviii](dotted line)spectral lines

將(1)式中的各個(gè)參數(shù)值代入,可以計(jì)算碰撞項(xiàng)發(fā)射率jcoll.圖7為計(jì)算得到的Lyα(實(shí)線)和[Fe xviii](虛線)的jcoll隨電子溫度lg Te變化的函數(shù)曲線,其發(fā)射率峰值分別位于lg Te～4.2和lg Te～6.9處,因此Lyα碰撞項(xiàng)峰值發(fā)射率對(duì)應(yīng)的電子溫度很低,而[Fe xviii]為高溫發(fā)射線.利用(4)式,可以建立起[Fe xviii]譜線強(qiáng)度Iobs與電子溫度Te一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,強(qiáng)度值Iobs可由UVCS探測(cè)得到,從而計(jì)算出相應(yīng)的電子溫度Te.我們求得該電流片中的平均電子溫度為～(2.94–4.04)×106K(lg～6.47–6.61).

圖7 Lyα(實(shí)線)和[Fe xviii](虛線)碰撞項(xiàng)發(fā)射率隨電子溫度的變化曲線Fig.7 Collisional emissivity curves of Lyα(solid line)and[Fe xviii](dotted line)spectral lines as a function of electron temp erature

Lyα譜線輻射除了碰撞過(guò)程外,還有共振散射過(guò)程.其輻射成分是由太陽(yáng)低層大氣中的光子與日冕中的氫原子發(fā)生共振散射,使得氫原子中的電子被激發(fā),在電子退激發(fā)的過(guò)程中產(chǎn)生的,我們稱其為L(zhǎng)yα譜線的輻射項(xiàng).輻射項(xiàng)發(fā)射率為[27]:

其中,jrad單位為photons·cm?3·s?1·sr?1,B12為愛(ài)因斯坦輻射吸收系數(shù),h為普朗克常數(shù),λ0為譜線的中心波長(zhǎng),ni為中性氫原子數(shù)密度,p(?)為共振散射幾何截面,?為立體角,ω表示沿立體角積分的積分變量,FD(vi)為多普勒暗化因子:

vi為等離子體的運(yùn)動(dòng)速度,I⊙(λ?δλ)是來(lái)自太陽(yáng)低層大氣入射輻射的強(qiáng)度譜,由于等離子體的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起譜線的多普勒位移,位移量δλ=(vi/c)·λ0.Φ(λ?λ0)是指沿著入射輻射方向歸一化后的日冕吸收輪廓.在假設(shè)等離子體速度為麥克斯韋速度分布的前提下,Φ(λ?λ0)可近似為高斯分布.因此,Lyα發(fā)射線的總強(qiáng)度為:

我們將(6)式中各個(gè)參數(shù)的值代入計(jì)算Lyα譜線的輻射項(xiàng)發(fā)射率jrad,得到了圖8,其中左圖為假設(shè)vi=0的情況下,Lyα譜線的輻射項(xiàng)發(fā)射率隨電子溫度的變化曲線,jrad隨電子溫度的增加而減小,當(dāng)電子溫度從lg Te=4.0變化到lg Te=6.6的過(guò)程中,jrad減小了約7個(gè)數(shù)量級(jí);右圖為假設(shè)電子溫度lg Te=6.5時(shí),Lyα譜線的輻射項(xiàng)發(fā)射率隨等離子體運(yùn)動(dòng)速度的變化曲線,當(dāng)?shù)入x子運(yùn)動(dòng)速度越快時(shí),輻射項(xiàng)發(fā)射率越小.

圖8 左圖:v i=0時(shí),Lyα譜線輻射項(xiàng)發(fā)射率隨電子溫度的變化曲線;右圖:lg T e=6.5時(shí),Lyα譜線輻射項(xiàng)發(fā)射率隨等離子體運(yùn)動(dòng)速度的變化曲線.Fig.8 Left panel:Radiative emissivity of the Lyαline as a function of electron temp erature when v i=0;Right panel:Radiative emissivity of the Lyαline as a function of plasma velocity when lg T e=6.5.

為了和UVCS觀測(cè)的電流片處的譜線強(qiáng)度值做比較,我們通過(guò)(1)式和(6)式,假設(shè)電子溫度為lg Te=6.5,計(jì)算得到當(dāng)?shù)入x子體運(yùn)動(dòng)速度為vi=254 km·s?1時(shí),[Fe xviii]譜線的碰撞項(xiàng)發(fā)射率為jcoll=0.086 photons·cm?3·s?1·sr?1;Lyα譜線的輻射項(xiàng)發(fā)射率為jrad=0.389 photons·cm?3·s?1·sr?1,碰撞項(xiàng)發(fā)射率為jcoll=0.220 photons·cm?3·s?1·sr?1.因此Lyα譜線總發(fā)射率為j=0.618 photons·cm?3·s?1·sr?1,是[Fe xviii]譜線發(fā)射率的約7.1倍.在同樣電子溫度條件下,當(dāng)?shù)入x子體運(yùn)動(dòng)速度vi=237 km·s?1時(shí),發(fā)射率比值約為8.6.可以看到,我們通過(guò)理論計(jì)算的Lyα和[Fe xviii]譜線發(fā)射率的關(guān)系與UVCS探測(cè)到的兩者的強(qiáng)度關(guān)系相近.這里所假設(shè)的電子溫度來(lái)源于[Fe xviii]輻射強(qiáng)度反推的電子溫度,我們計(jì)算得到的電流片內(nèi)部中心處的速度(～254 km·s?1)比兩側(cè)(～237 km·s?1)略高.與我們電流片不同的是,Lin等[2]所研究的事例中,CME電流片處的Lyα輻射比周圍明顯變暗.由于他們沒(méi)有觀測(cè)到電流片的[Fe xviii]輻射,電流片處的Lyα輻射變暗主要是由于外流速度引起的多普勒暗化.Lin等[2]發(fā)現(xiàn)200 km·s?1的速度可用于解釋觀測(cè).

綜上所述,[Fe xviii]譜線強(qiáng)度由碰撞引起,而Lyα譜線強(qiáng)度由碰撞項(xiàng)和輻射項(xiàng)構(gòu)成,在等離子體運(yùn)動(dòng)速度不快的情況下,輻射項(xiàng)占主導(dǎo)[24].Lyα譜線的輻射項(xiàng)發(fā)射率與多普勒暗化因子FD(vi)有關(guān).等離子體的運(yùn)動(dòng)速度vi越大,多普勒暗化因子FD(vi)越小,從而輻射項(xiàng)發(fā)射率越小.我們計(jì)算發(fā)現(xiàn),在lg Te=6.5條件下,當(dāng)速度約為vi=280 km·s?1時(shí),輻射項(xiàng)和碰撞項(xiàng)相當(dāng).Lyα譜線在電流片內(nèi)部中心比兩側(cè)稍暗,可能的主要原因是中心處的等離子體運(yùn)動(dòng)速度比兩邊的運(yùn)動(dòng)速度快,與Shen等[28]通過(guò)數(shù)值模擬得到的CME電流片中的速度分布結(jié)論一致,而蔡強(qiáng)偉等[13–14]所研究事件中CME電流片內(nèi)部?jī)蓚?cè)的等離子體運(yùn)動(dòng)速度不對(duì)稱導(dǎo)致電流片結(jié)構(gòu)存在南向偏移.

4 總結(jié)與展望

本文利用LASCO白光、UVCS紫外Lyα和[Fe xviii]對(duì)2003年1月3日CME下方的冕流電流片及其南側(cè)兩個(gè)CME的觀測(cè),獲得了電流片內(nèi)部的等離子體團(tuán)運(yùn)動(dòng)特征、平均電子數(shù)密度、電子溫度等信息,對(duì)電流片的Lyα和[Fe xviii]譜線的輻射進(jìn)行了詳細(xì)的理論計(jì)算和觀測(cè)比對(duì),并分析了CME的爆發(fā)對(duì)電流片參數(shù)的影響.我們發(fā)現(xiàn)該冕流電流片南側(cè)CME的爆發(fā)很有可能進(jìn)一步促進(jìn)電流片中的重聯(lián)過(guò)程,使其中更多的自由磁能被釋放用于等離子的加熱和加速.結(jié)論如下:

(1)從LASCO C2的觀測(cè)中,我們發(fā)現(xiàn)電流片中的等離子體團(tuán)在LASCO C2視場(chǎng)內(nèi)從60 km·s?1加速至340 km·s?1,加速度為60 m·s?2.此速度高于同視場(chǎng)內(nèi)一般冕流電流片中的等離子體團(tuán)速度;

(2)假設(shè)視向深度為L(zhǎng)～0.3–1.5 R⊙,利用LASCO C2觀測(cè)并根據(jù)白光日冕的湯姆遜散射機(jī)制,我們得到了電流片在UVCS狹縫處的平均電子數(shù)密度為～(1.52–7.60)×107cm?3;

(3)通過(guò)UVCS探測(cè)到的[Fe xviii]譜線的輻射強(qiáng)度,我們計(jì)算得到了電流片內(nèi)的平均電子溫度～(2.94–4.04)×106K.該溫度高于冕流電流片的典型溫度;

(4)根據(jù)Lyα和[Fe xviii]譜線強(qiáng)度在UVCS狹縫處的分布,我們發(fā)現(xiàn)本事件中Lyα譜線在電流片處和其周圍變化不明顯.在電流片內(nèi)部,兩側(cè)強(qiáng)度稍高于中心強(qiáng)度,可能原因在于電流片中心等離子體的運(yùn)動(dòng)速度要比兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)速度稍快,多普勒暗化作用使得Lyα強(qiáng)度在電流片中心處較低.[Fe xviii]譜線在電流片位置處相對(duì)周圍有明顯的強(qiáng)度增加;

(5)UVCS狹縫處電流片的Lyα輻射強(qiáng)度是[Fe xviii]輻射強(qiáng)度的約7.1–8.6倍.利用此約束條件和基于[Fe xviii]譜線強(qiáng)度推得電流片的電子溫度,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子溫度lg Te=6.5、速度約為237–254 km·s?1時(shí),理論計(jì)算的Lyα和[Fe xviii]輻射的發(fā)射率比值亦約為7.1–8.6,和觀測(cè)一致.此速度也高于同高度處冕流電流片中等離子體的典型速度.

下一步,我們還將利用UVCS的譜線對(duì)電流片進(jìn)行更加深入的研究.結(jié)合不同離子的譜線觀測(cè),我們可以進(jìn)一步獲得離子的多普勒運(yùn)動(dòng)速度、離子有效溫度等.此外,我們還將估算電流片內(nèi)可能存在的湍流速度及元素豐度等物理參數(shù).未來(lái)ASO-S/LST載荷上SCI日冕儀的白光和Lyα同時(shí)觀測(cè)將為電流片的研究提供更多的數(shù)據(jù)支持.