II 型射電暴分類及其與太陽高能粒子事件的關系*

朱聰 丁留貫2)3)? 周坤論 錢天麒

1) (南京信息工程大學空間天氣研究所, 南京 210044)

2) (南京信息工程大學濱江學院, 南京 210044)

3) (中國科學院暗物質(zhì)與空間天文重點實驗室, 南京 210008)

4) (廣西區(qū)氣象技術裝備中心, 南寧 530022)

基于Wind, STEREO 等衛(wèi)星聯(lián)合觀測資料, 選取第24 太陽活動周2010 年1 月至2018 年3 月共計273個II 型射電暴事件, 按起始-結束頻率對事件進行分類, 統(tǒng)計分析各類II 型射電暴觀測特性差異及其伴隨的日冕物質(zhì)拋射(coronal mass ejection, CME)與太陽高能粒子(solar energetic particle, SEP)事件之間的關聯(lián).研究結果顯示: 1)每一類II 型射電暴事件中, SEP 事件對應的CME 角寬、速度、質(zhì)量、動能及耀斑等級均普遍大于不產(chǎn)生SEP 的事件, 表明SEP 事件的產(chǎn)生需要快速大角寬且高能的CME; 2)相比從DH 波段開始的II 型射電暴, 從米波段開始的II 型射電暴伴隨大SEP 事件的比例更高, 多頻段II 型射電暴事件比單頻段事件更容易產(chǎn)生SEP 事件, 其中M-DH-KM II 型射電暴伴隨SEP 事件比例最高(73%), DH IIs only 類最低(19%);3)同一類II 型射電暴中, 有SEP 事件產(chǎn)生的II 型射電暴比無SEP 的事件具有更高的起始頻率(更低的激波形成高度)、更低的結束頻率(更高的結束高度)、以及更長的持續(xù)時間, 容易產(chǎn)生SEP 事件(尤其是大型SEP 事件)的日冕激波普遍在較低高度開始形成(如小于3Rs, Rs 為太陽半徑), 且能維持到很高的高度(如大于30Rs); 4) II 型射電暴持續(xù)時間和結束頻率呈很強的負相關(cc = –0.93), 產(chǎn)生SEP 事件的比例隨II 型射電暴持續(xù)時間增加而明顯增大, 隨結束頻率增加而明顯降低, 且很大程度上取決于CME 的速度等參數(shù).本文結果進一步表明, SEP 事件產(chǎn)生與否與II 型射電暴種類及特性明顯相關, II 型射電暴起始頻率越高、結束頻率越低, 如M-DH-KM II 型射電暴, 其CME 在很低高度驅(qū)動形成激波并傳播至很高高度, 激波持續(xù)時間越長, 加速粒子時間越長, 產(chǎn)生SEP 事件(尤其是大SEP 事件)的概率也就越大.

1 引 言

太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射(coronal mass ejection, CME)是劇烈的太陽活動現(xiàn)象.耀斑是太陽大氣局部突然變亮的活動現(xiàn)象, 并伴隨著粒子發(fā)射.CME 是太陽大氣中出現(xiàn)的大規(guī)模的物質(zhì)快速拋射現(xiàn)象.在太陽爆發(fā)過程中, 常伴隨射電輻射,因此射電觀測通常作為研究太陽爆發(fā)及相關物理過程的重要觀測手段.太陽射電爆發(fā)可以提供日冕激波、磁場、密度分布和高能粒子加速等信息.根據(jù)爆發(fā)的頻率, 太陽射電爆發(fā)分為微波爆發(fā)(簡稱微波暴)和射電爆發(fā)(簡稱射電暴), 大體上, 頻率高于1 GHz 的為微波暴, 低于1 GHz 的為射電暴.根據(jù)射電暴動態(tài)頻譜形態(tài)特征可以分為I, II, III,IV 和V 型射電暴[1,2].

Payne-Scott 等[3]在200, 100 和60 MHz 頻率上發(fā)現(xiàn)一種具有慢速頻率漂移特征的太陽射電暴,Wild 和McCready[4]把這類特征的太陽射電暴稱為II 型射電暴.目前通常認為II 型射電暴是由于激波向外傳播時引起等離子體振蕩產(chǎn)生朗繆爾波,并以本征等離子體頻率或二倍頻向外輻射的電磁波[5].II 型射電暴按起始頻率是否大于14 MHz分為米波II 型射電暴和十米-百米波(deca-hectometric, DH) II 型射電暴, 以及小于1 MHz 的千米波II 型射電暴[6].通常米波II 型射電暴作為日冕激波出現(xiàn)的標志[4,7], DH 波、千米波II 型射電暴作為行星際激波出現(xiàn)的標志[8].

Prakash 等[9,10]的研究表明米波II 型射電暴與耀斑釋放的能量有關, 而DH 波II 型射電暴往往與CME 有關.有DH 波II 型射電暴伴隨的CME比無II 型射電暴伴隨的CME 速度更快, 角寬更大[11].此外, 相比米波II 型射電暴, 與DH 波II 型射電暴相關的CME 質(zhì)量更大, 動能更高[12].

耀斑和CME 都能產(chǎn)生太陽高能粒子(solar energetic particle, SEP), SEP 輻射會對地球周圍太空的航空航天和生產(chǎn)活動造成很大的危害.一般來說, SEP 事件按照加速源不同分為兩類: 脈沖型SEP 事件和緩變型SEP 事件, 其中脈沖型SEP 事件中的粒子是由耀斑加速的, 緩變型SEP 事件是由CME 驅(qū)動的激波產(chǎn)生的.與脈沖型SEP 事件相比, 緩變型SEP 事件通常具有更顯著的觀測特征,如峰值通量高、粒子能量高、持續(xù)時間長等[13?16].有研究表明, 緩變型SEP 事件的強度和CME 速度呈正比, 但是, 數(shù)據(jù)點較分散, 即同一個CME 速度對應的粒子強度可以變化幾個數(shù)量級[15,16].這表明, 除CME 激波速度外, 激波強度和激波掃過區(qū)域的種子粒子數(shù)量可能是決定SEP 事件強度和譜的另一個因素[17,18].一般而言, 大SEP 事件(如Ip≥ 10 pfu, 1 pfu = 1 proton/(cm2·s·sr))通常與快而寬的CME 爆發(fā)事件相關, 但不是所有快而寬的CME 都能產(chǎn)生SEP 事件.于是, 決定CME 產(chǎn)生SEP 事件的多種因素被提出, 如日冕激波的強度、激波與CME 的相互作用、twin-CMEs 等[19,20].此外, 也有研究認為更高能量的SEP ( > 30 MeV)主要是由太陽耀斑加速產(chǎn)生的, 而CME 激波加速通常只對較低能量的SEP 有貢獻[21?24].

2003 年, Gopalswamy 等[25]指出, 伴 隨II 型射電爆發(fā)的大多數(shù)CME 通常也同時伴隨大SEP事件, 即大SEP 事件通常與CME 驅(qū)動的激波相關[26].Gopalswamy 等[27]將一個跨越米波、DH波和千米波頻段的II 型射電暴稱為M-DH-KM II 型射電暴, 并且無II 型射電暴、米波II 型射電暴、DH II 型射電暴和M-DH-KM II 型射電暴伴隨CME 的動能呈現(xiàn)依次增大的趨勢, 而78%的M-DH-KM II 型射電暴與SEP 事件有關, 未產(chǎn)生SEP 的部分M-DH-KM II 型射電暴其太陽源區(qū)似乎呈現(xiàn)較差的SEP 磁聯(lián)接條件.磁聯(lián)接條件是指SEP 的源區(qū)(日面源區(qū)、II 型射電暴源或激波)與觀測點(衛(wèi)星)之間磁力線聯(lián)接的好差, 常用于分析SEP 的傳播與觀測, 若觀測點所在行星際磁力線的日面足點與源區(qū)較遠, 不利于高能粒子從源區(qū)傳播到觀測位置, 則稱SEP 磁聯(lián)接條件較差, 反之稱SEP 磁聯(lián)接條件較好.Winter 和Ledbetter[28]的研究也表明, 所有峰值大于15 pfu 的大SEP 事件全部伴隨DH 波II 型射電暴.陳玉林等[29]認為有米波和DH 波II 型射電暴伴隨的CME 有更高的概率產(chǎn)生SEP 事件.此外, 還有研究表明, 存在少數(shù)較小的SEP 事件觀測不到明顯的II 型射電暴, 這類事件稱為RQ (radio quiet)事件[30].

目前對II 型射電暴與SEP 之間關系的研究已經(jīng)比較深入, 但是按II 型射電暴不同類型進行分類比較的研究較少.同時, 由于太陽爆發(fā)源區(qū)與觀測衛(wèi)星相對位置及磁聯(lián)接條件對此研究的影響, 多衛(wèi)星多經(jīng)度聯(lián)合觀測可在一定程度上降低由于磁聯(lián)接較差導致的事件遺漏情況.本文主要研究不同類型II 型射電暴的觀測特征及其與SEP 事件的關系, 探討不同類型II 型射電暴對應的CME 激波對SEP 加速效果的差異及可能原因分析.以上問題的解決有助于進一步理解II 型射電暴與SEP 事件之間的關聯(lián)以及激波加速產(chǎn)生SEP 的物理機理.

2 數(shù)據(jù)來源及處理

綜合多個衛(wèi)星(Wind/WAVES, STEREO/WAVES)及地面臺站(Learmonth, Culgoora, SS RT, YNAO 等)射電觀測資料, 本文篩選出2010年1 月至2018 年3 月間273 個(0.02—450 MHz)可以清晰地識別射電頻譜結構的II 型射電暴.在確定II 型射電暴與CME 一一對應方面, 采用文獻[31, 32]方法進行處理; 并結合SOHO/LASCO,SDO/AIA 和STEREO A (B)/SECCHI, EUVI 儀器視頻、耀斑相關信息以及衛(wèi)星位置對CME 進行核對.事件對應CME 的速度(v)、質(zhì)量(m)、動能(Ek)、加速度(a)、中心角(CPA)和角寬(WD)等參數(shù)均取自CDAW 數(shù)據(jù)庫(https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list).耀斑等級、活動區(qū)位置信息取自CDAW, LMSAL (https://www.lmsal.com/solarsoft/latest_events_archive.html)以及Solar Monitor (https://solarmonitor.org).

本文的SEP 數(shù)據(jù)來源于STEREO-A(B)/HET(23.8—60 MeV)和SOHO/COSTEP EPHIN (25—53 MeV), 并采取文獻[33, 34]的方法處理SEP 事件強度.在HET 觀測的峰值通量和修正后的EPHIN 峰值通量中選擇最大值作為SEP 事件的峰值強度(Ip), 并以0.0114 (cm2·s·src·MeV)–1作為大SEP 事件(large SEP)的判斷閾值.

SEP 在近太陽附近釋放時刻(solar particle release time, SPR)的估算采用速度離散分析方法[35?37], SEP 起始釋放高度(HSPR)對應于高能粒子SPR 時刻的CME 前沿高度.對于大多數(shù)II 型射電暴而言, 射電輻射源主要分布在CME 激波前沿鼻區(qū), 即II 型射電暴的產(chǎn)生高度與CME 激波前沿高度接近[38].本文通過對CME 的高度-時間觀測數(shù)據(jù)進行線性擬合, 并假設II 型射電暴相應時刻對應的CME 前沿高度近似為此時的激波前沿高度.由于日冕激波和CME 前沿之間存在等離子體鞘層, 兩者之間的距離稱為脫體距離(standoff distance), 所以激波前沿的實際高度應略高于CME 前沿高度[39].

3 統(tǒng)計結果

SEP 事件與II 型射電暴呈強相關性, 預處理的候選樣本中大約有97%的SEP 事件伴隨明顯的II 型射電暴, 約3%的SEP 事件未觀測到II 型射電暴.為了研究SEP 事件的觀測特征與II 型射電暴的關聯(lián), 探討不同類型II 型射電暴及對應的CME 和耀斑對SEP 事件的影響, 將所有II 型射電暴事件按起始-結束頻率波段分為五類: 1) G1,米波II 型射電暴(M IIs only, 14—450 MHz); 2) G2,DH 波II 型射電暴(DH IIs only, 1—14 MHz); 3) G3,M-DH 波II 型射電暴(M-DH IIs, 1—450 MHz);4) G4, DH-KM 波II 型射電暴(DH-KM IIs, 0.02—14 MHz); 5) G5, M-DH-KM 波II 型 射 電 暴(MDH-KM IIs, 0.02—450 MHz).本文分別對五類II 型射電暴及其對應的CME, 耀斑參數(shù)進行分析,探討不同類型事件產(chǎn)生的SEP 事件及其對應CME, 耀斑和II 型射電暴的統(tǒng)計特征差異.

3.1 II 型射電暴伴隨SEP 事件的分類統(tǒng)計

表1 為五類II 型射電暴伴隨SEP 事件的統(tǒng)計表.本文所有II 型射電暴事件(All)樣本數(shù)共273 個, 其中M IIs only (G1) 107 個、DH IIs only(G2) 32 個、M-DH IIs (G3) 36 個、DH-KM IIs(G4) 38 個和M-DH-KM IIs (G5) 60 個; 所有統(tǒng)計樣本中, 伴隨SEP 事件發(fā)生的有109 個, 無SEP事件伴隨的有164 個.整體上看, 除G5 (SEP 事件44 個, 無SEP 事件16 個)外, 其余四類II 型射電暴伴隨SEP 事件數(shù)明顯少于無SEP 事件數(shù); 五類事件中大SEP 事件/SEP 事件/無SEP 事件數(shù)分別為G1 (13/27/80), G2 (3/6/26), G3 (12/16/20), G4 (13/16/22)和G5 (40/44/16).伴隨SEP事件和大SEP 的比例分別為G1 (25%和12%),G2 (19%和9%), G3 (44%和33%), G4 (42%和34%)和G5 (73%和67%), 特別地, G5 中產(chǎn)生大SEP 事件的比例超過了2/3, 且產(chǎn)生SEP 事件的比例達到了73%, 遠遠大于其他四類事件, 這和Gopalswamy 等[27]得到的78%的M-DH-KM IIs(0.02—180 MHz)與SEP 事件相關的結果基本一致.多頻段II 型射電暴產(chǎn)生SEP 事件的比例明顯高于單頻段II 型射電暴事件, 如三頻段事件(G5)高于兩頻段事件(G3, G4)、兩頻段事件高于單頻段事件(G1, G2).由表1 可以看出, 除M-DH-KM IIs 外, 其他各類事件中的SEP 事件比例低于50%,SEP 事件樣本數(shù)較少(尤其G2 中只有6 個SEP事件), 故在統(tǒng)計分析時未分析SEP 事件和無SEP事件的分布規(guī)律差異, 本文只對均值和中值進行統(tǒng)計對比分析.

表1 II 型射電暴伴隨SEP 事件的統(tǒng)計表Table 1.SEP events associated with different group of type II radio bursts.

此外, 對比G1, G3, G5 三種類型產(chǎn)生SEP 事件和大SEP 事件的比例及對應事件強度可知, 從米波段開始的II 型射電暴, 其結束頻段越低, 產(chǎn)生(大) SEP 事件的可能性就越大, 產(chǎn)生的(大) SEP事件的強度也越大; 對比G2, G4 兩類可知, 從DH波段開始的II 型射電暴, 其結束頻段越低, 產(chǎn)生(大) SEP 事件的可能性同樣越大, 產(chǎn)生的(大) SEP事件強度也越大.比較G2, G3 和G4, G5, 同樣的結束頻段, 則起始頻段越高, 產(chǎn)生SEP 事件的比例就越高, SEP 事 件 強度越大.由表1 可以看出,CME 爆發(fā)伴隨的II 型射電暴起始頻段越高且結束頻率能持續(xù)到較低頻段, 如M-DH-KM IIs, 產(chǎn)生SEP 事件(尤其是大SEP 事件)的概率就越高.這可以理解為從米波段開始的II 型射電暴預示著激波在更低的高度形成, 且一直維持到很高高度,一方面激波面可以掃過更多的種子粒子, 另一方面激波加速粒子的時間更長, 這樣的條件有利于SEP 事件的產(chǎn)生, 尤其是大SEP 事件.

3.2 CME 和耀斑屬性

3.2.1 CME 速度、角寬、質(zhì)量和動能

圖1 CME 速度、角寬、質(zhì)量和動能統(tǒng)計直方圖Fig.1.Histogram of CME speed (v), angular width (WD), mass (m) and kinetic energy (Ek).

圖1 為II 型射電暴對應CME 的速度、角寬、質(zhì)量和動能統(tǒng)計直方圖, 紅色為有SEP 事件, 藍色為無SEP 事件, 數(shù)字代表對應參數(shù)的均值(中值).圖1 中直方柱高度代表當前區(qū)間內(nèi)兩類事件數(shù)的多少, 這與區(qū)間內(nèi)的總樣本數(shù)有關, 并不代表當前區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生SEP 事件的占比(下同).由圖1 可知,從整體上看, 五種類型II 型射電暴對應的CME 參數(shù), 產(chǎn)生SEP 事件的CME 速度、角寬、質(zhì)量、動能等明顯高于無SEP 產(chǎn)生的事件.特別地, 有SEP產(chǎn)生的事件中, 除了M-DH IIs (G3)和DH-KM IIs (G4) CME 質(zhì)量相當外, CME 的(均值)速度、角寬、質(zhì)量和動能從小到大依次均為G1, G2, G3,G4, G5.尤其是達到KM 波段的II 型射電暴(G4和G5)對應的CME 各參量明顯高于達到DH 波段的II 型射電暴(G2 和G3), 即能夠到達KM 波段的II 型射電暴對應的CME 更高能.

對比五種不同類型的II 型射電暴可知, 有SEP 事件產(chǎn)生的CME 比無SEP 事件的具有更大的角寬、更高的速度、更大的質(zhì)量和動能.顯然,若CME 具有更大的角寬、速度、質(zhì)量和動能, 則容易在更大的高度范圍內(nèi)驅(qū)動激波加速粒子, 更易產(chǎn)生SEP 事件, 同時伴隨從高頻向更低頻漂移的II 型射電暴.

3.2.2 耀斑等級和特征時間

活動區(qū)爆發(fā)時耀斑和CME 幾乎是同時出現(xiàn)的, 一般耀斑等級越高表示太陽源區(qū)爆發(fā)和能量釋放越劇烈, 伴隨發(fā)生的CME 的速度也更高, 更易驅(qū)動日冕激波, 而且激波也更強.圖2 為耀斑等級統(tǒng)計直方圖, 紅色為有SEP 事件, 藍色為無SEP事件.從整體上看, 產(chǎn)生SEP 事件的耀斑等級普遍高于無SEP 事件的.對比圖2(b)、圖2(d)、圖2(f)(G1, G3, G5), 從米波段開始的II 型射電暴事件,伴隨耀斑等級隨著II 型射電暴結束頻段的降低而增加(G1 < G3 < G5), 而從DH 波段開始的II 型射電暴(G2 和G4)則相反(圖2(c)、圖2(e)).在結束頻段相同的情況下, 起始頻段越高, 耀斑等級越大(如G2 < G3, G4 < G5).另外, 無論有/無SEP 發(fā)生, M-DH-KM IIs (G5)類事件對應耀斑等級(M7.1/M6.9)均明顯高于另外四類事件; 而M IIs only (G1)對應耀斑等級(M1.1/C6.5)最小.從耀斑等級可以看出, M-DH-KM IIs 對應的太陽爆發(fā)在五種II 型射電暴事件中最強烈, CME 驅(qū)動激波最強, 傳播空間范圍也應最廣, 這與其產(chǎn)生SEP事件的概率最高相符合.

圖2 耀斑等級統(tǒng)計直方圖Fig.2.Histogram of solar flare classes.

表2 為耀斑特征時間統(tǒng)計表, 其中T1 為耀斑起始與峰值之間的時間間隔(上升相時間),T2 為耀斑起始與結束之間的時間間隔(持續(xù)時間).更長的上升相時間和持續(xù)時間通常代表耀斑具有更長的能量持續(xù)釋放過程, 形成的激波可加速粒子到更快的速度[40].結果顯示, 起始于米波段的II 型射電暴M IIs only, M-DH IIs 和M-DH-KM IIs,T1 均值(中值)分別為G1 (14 (10)) < G3 (19 (16)) < G5(46 (22)),T2 均值(中值)分別為G1 (26 (19))

表2 耀斑特征時間統(tǒng)計表Table 2.Characteristic times of associated solar flares.

3.3 II 型射電暴特征

3.3.1 起始/結束頻率

圖3(a)為五類II 型射電暴起始頻率分布, 黑色空心圈為每個II 型射電暴事件的起始頻率;圖3(b)—(f)為II 型射電暴起始頻率統(tǒng)計直方圖,紅色為SEP 事件, 藍色為無SEP 事件.從圖3(a)可以看出, 在五類II 型射電暴中, 開始于米波段的射電暴起始頻率呈現(xiàn)M IIs only > M-DH-KM IIs >M-DH IIs, 開始于DH 波段的事件起始頻率基本呈現(xiàn)DH IIs only > DH-KM IIs.對比圖3(b)—(f)可以看出, 對于伴隨SEP 事件或無SEP 事件的II 型射電暴, 除呈現(xiàn)類似圖3(a)中總體規(guī)律外, 還顯示有SEP 事件的射電暴起始頻率均明顯高于無SEP 事件的, 表明同類II 型射電暴中有SEP 產(chǎn)生的事件具有更高的起始頻率, 即起始頻率高的II型射電暴更容易產(chǎn)生SEP 事件.

圖3 (a) II 型射電暴起始頻率分布; (b)?(f) 五類II 型射電暴起始頻率統(tǒng)計直方圖(G1?G5)Fig.3.(a) Starting frequency distribution of type II radio bursts; (b)?(f) histogram of the starting frequencies of type II radio bursts for five groups (G1?G5).

圖4 (a)為五類II 型射電暴的結束頻率分布,黑色空心圈為每個II 型射電暴事件的結束頻率;圖4(b)—(f)為II 型射電暴結束頻率統(tǒng)計直方圖,紅色為SEP 事件, 藍色為無SEP 事件.由圖4(a)中的結束頻率可清晰辨別各類II 型射電暴的結束頻段, 與本文的分類一致, M IIs only 結束頻率最高 (均值57 (中值52), 其次是M-DH IIs 和DH IIs only, DH IIs 略低, 最后是DH-KM IIs 和M-DH-KM IIs, M-DH-KM IIs 最 低(0.25 (0.2)).圖4(b)—(f)顯示, 總體上有SEP 事件伴隨的II 型射電暴結束頻率比無SEP 事件的略低, 但同一類型II 型射電暴差距不大.

綜合圖3 和圖4 可知, 伴隨SEP 事件的II 型射電暴通常具有更高的起始頻率和更低的結束頻率; 在同一類II 型射電暴中, 能否產(chǎn)生SEP 事件似乎很大程度上與射電暴起始頻率相關, 即更高起始頻率的射電暴對應的太陽爆發(fā)更容易產(chǎn)生SEP 事件.

3.3.2 持續(xù)時間

圖5(a)為五類II 型射電暴的持續(xù)時間分布,黑色空心圈為每個II 型射電暴事件的持續(xù)時間;圖5(b)—(f)為II 型射電暴持續(xù)時間的統(tǒng)計直方圖, 紅色為有SEP 事件, 藍色為無SEP 事件.從圖5(a)可以清晰地看出, 五類II 型射電暴中, 持續(xù)時間最短的為M IIs only, 最長的是M-DH-KM IIs, G1—G5 依次增加, M IIs only (均值8.9/中值8) < DH IIs only (29/21) < M-DH IIs (46/39)

圖4 (a) II 型射電暴結束頻率分布; (b)?(f) 五類II 型射電暴結束頻率統(tǒng)計直方圖(G1?G5)Fig.4.(a) Ending frequency distribution of type II radio bursts; (b)?(f) histogram of the ending frequencies of type II radio bursts for five groups (G1?G5).

圖5 (a) II 型射電暴持續(xù)時間分布; (b)?(f) 五類II 型射電暴持續(xù)時間統(tǒng)計直方圖(G1?G5)Fig.5.(a) Duration distribution of type II radio bursts; (b)?(f) histogram of the durations of type II radio burst for five groups(G1?G5).

圖6 (a)—(e)顯示了II 型射電暴持續(xù)時間與結束頻率的關系, 空心圓為有SEP 事件, 實心圓為無SEP 事件, 圖中的黑色虛線為II 型射電暴持續(xù)時間與結束頻率的擬合直線.由圖6 可以看出,II 型射電暴持續(xù)時間與結束頻率間具有很強的負相關, 相關系數(shù)達–0.93, 即II 型射電暴結束頻率越低, 持續(xù)時間越長, 反之越短, 其中有SEP 事件伴隨的事件相關系數(shù)達–0.96, 而無SEP 伴隨的事件相關系數(shù)略低, 為–0.89.比較II 型射電暴對應的CME 參數(shù)分布可明顯看出, 射電暴結束頻率較高、持續(xù)時間較短的事件通常具有較小的CME 速度、角寬、質(zhì)量和動能, 而結束頻率低、持續(xù)時間長的事件的這些參數(shù)通常較大.CME 的加速度對射電暴的持續(xù)時間和結束頻率無明顯影響.圖6 中分布表明, 如果II 型射電暴的持續(xù)時間足夠長并一直持續(xù)很低的頻率, 其對應的CME 必須要有足夠的能量才能驅(qū)動激波并維持很長時間.

圖6(f)和圖6(g)為II 型射電暴持續(xù)時間和結束頻率各區(qū)間產(chǎn)生SEP 事件的百分比.從圖6(f)和圖6(g)可以清晰地看到, 產(chǎn)生SEP 事件的比例隨II 型射電暴持續(xù)時間增加而增大, 隨結束頻率的增加而顯著減小.有SEP 事件伴隨的II 型射電暴持續(xù)時間在幾十分鐘到幾個小時的范圍內(nèi)都有分布, 但大部分集中在持續(xù)時間較長的范圍內(nèi)(尤其是大SEP 事件), 且具有較大的速度、質(zhì)量和動能, 絕大部分為halo CME (角寬360°).結果還顯示, 不產(chǎn)生SEP 的事件大多對應的II 型射電暴持續(xù)時間較短, 且對應的CME 速度、角寬、質(zhì)量、動能通常較低, 對速度的影響尤為突出.在加速度的分布中, 產(chǎn)生SEP 事件的CME 加速度既有較大的也有較小的, 但對應的CME 速度等都比較大,且射電暴持續(xù)時間比較長.也就是說, 要產(chǎn)生SEP事件, 尤其是大SEP 事件, CME 需要具有較大的速度、角寬、質(zhì)量和能量, 且伴隨持續(xù)時間較長的射電暴, 而對CME 加速度無明顯要求.

3.3.3 II 型射電暴起始/結束高度

圖6 (a)?(e) II 型射電暴持續(xù)時間與結束頻率關系; (f), (g) 持續(xù)時間和結束頻率各區(qū)間SEP 事件百分比Fig.6.(a)?(e) Relationship between duration and ending frequency of type II radio bursts; (f), (g) percentage of SEP events in each interval of duration and ending frequency.

圖7 II 型射電暴起始高度的統(tǒng)計直方圖Fig.7.Histogram of the starting heights of the different group of type II radio bursts.

本文假定II 型射電暴產(chǎn)生高度近似等于CME的前沿高度[38].圖7 為五類II 型射電暴起始高度統(tǒng)計直方圖, 紅色為SEP 事件, 藍色為無SEP 事件, 紅色和藍色數(shù)字代表SEP 和無SEP 事件起始高度的均值(中值).由圖7(a)可知, II 型射電暴的起始高度主要分布在4Rs(Rs表示太陽半徑)以下,伴隨SEP 事件的起始高度小于不產(chǎn)生SEP 的事件(2.7Rs< 3.3Rs).若考慮II 型射電暴起始時刻激波與CME 前沿的脫體距離(約0.4Rs)[39,41], 這一結果與II 型射電暴起始時刻激波高度在3Rs—4.5Rs的結果基本一致.但有無SEP 事件的分布基本無明顯差別, 也就是說, 能否產(chǎn)生SEP 事件不僅僅取決于激波產(chǎn)生的高度(II 型射電暴起始高度),還受其他因素影響, 如可被加速的粒子數(shù)量、粒子向外傳播的磁場條件等.除M IIs only 外, 有SEP事件伴隨的II 型射電暴起始高度均值明顯低于不產(chǎn)生SEP 事件的.此外, 起始于米波段的II 型射電暴起始高度主要分布在3Rs以下, 而起始于DH波段的II 型射電暴起始高度普遍介于3Rs—12Rs.

圖8 為II 型射電暴結束高度的統(tǒng)計直方圖,紅色代表有SEP 事件, 藍色代表無SEP 事件.從圖8(a)可以看出, 所有事件中伴隨SEP 事件的II 型射電暴結束高度顯著大于無SEP 事件(均值49 > 13)的, 且射電結束高度越高, 其伴隨SEP事件產(chǎn)生的比例越高.從圖8(b)—(f)可以看出,除DH IIs only 以外, 其余四類伴隨SEP 事件的II 型射電暴結束高度普遍大于不產(chǎn)生SEP 事件的.G1, G2 和G3 中的II 型射電暴結束高度普遍在10Rs以下, 而G4 和G5 中的II 型射電暴結束高度絕大部分都超過10Rs, 特別地, M-DH-KM IIs 中伴隨SEP 事件的結束高度均值達94Rs.

綜合圖7 和圖8 可得, 相比于不產(chǎn)生SEP 的事件, 有SEP 事件產(chǎn)生的II 型射電暴起始高度較低而結束高度較高, 也就是說, 這些事件中激波在較低的高度上形成, 并一直持續(xù)傳播到很高的高度.一方面說明這些事件中的激波很強, 另一方面也說明激波掃過的區(qū)域更大, 被激波加速的粒子更多, 從而產(chǎn)生更強的SEP 事件.

3.3.4 射電暴(激波)維持高度分布

圖8 II 型射電暴結束高度的統(tǒng)計直方圖Fig.8.Histogram of the ending heights of the different group of type II radio bursts.

圖9 II 型射電暴維持高度統(tǒng)計直方圖Fig.9.Histogram of the sustained heights of the type II radio bursts.

為了能更好地分析II 型射電暴(激波)的高度與SEP 事件產(chǎn)生概率之間的關系, 把II 型射電暴從開始到結束時間段內(nèi)CME 前沿傳播到達的每一個高度定義為維持高度, 即CME 前沿在射電暴持續(xù)時間內(nèi)經(jīng)過的任意高度都是維持高度.直方圖分析中, 任意一個事件會在其CME 傳播經(jīng)過的每一個高度區(qū)間內(nèi)被統(tǒng)計一次, 結果如圖9 所示, 紅色代表有SEP 事件, 藍色代表無SEP 事件, 折線顯示了每個區(qū)間產(chǎn)生SEP 事件的百分比.圖9(a)顯示, M IIs only 中伴隨SEP 事件的比例隨著維持高度的增加而增加, 其中只有很少的SEP 事件能維持到4Rs以上(3/27), 大部分SEP 事件的II 型射電暴能在2Rs—4Rs維持.DH IIs only 事件中產(chǎn)生SEP 事件的比例在各維持高度上都很低,約為20% (圖9(b)).M-DH IIs, DH-KM IIs 和MDH-KM IIs 中II 型射電暴伴隨SEP 事件的概率總體上隨維持高度呈增加趨勢(圖9(c)—(e), 其中圖9(d)和圖9(e)為大區(qū)間間隔分析); 兩類事件(有SEP 事件、無SEP 事件)總數(shù)大致隨維持高度增加而減少, 即能維持到較高高度上的射電暴較少, 如G3 在Rs—6Rs從最高34 減少到4 個事件,G4 中能維持到30Rs以上的事件占34% (13/38),G5 中能維持到30Rs以上的事件占78% (47/60).從圖9(d)和圖9(e)可以看出, 在射電暴維持高度超過30Rs后其產(chǎn)生SEP 事件的比例接近80%.通過對比可以看出, M-DH-KM IIs 維持到較高高度(如30Rs以上)的比例最高, 產(chǎn)生SEP 事件的比例也最大(表1).若對10Rs內(nèi)的事件進行再分析(如圖9(d1)和圖9(e1), 小區(qū)間間隔分析)會發(fā)現(xiàn), 在DH-KM IIs 和M-DH-KM IIs 中維持高度從小于3Rs開始的事件伴隨SEP 事件的比例明顯高于其他幾類事件.顯然, 越低維持高度區(qū)間內(nèi)被統(tǒng)計的事件表明其激波形成高度越低, 并一直傳播到很高高度(G4 和G5 兩類事件最低頻率達到千米波段, 表示激波傳播到了行星際), 這類事件屬于很少數(shù)的超強事件, 其產(chǎn)生SEP 的概率自然也更高.圖9(a)—(e)呈現(xiàn)的總體趨勢體現(xiàn)了產(chǎn)生SEP 事件要求激波傳播到盡可能高的高度, 而圖9(d1)和圖9(e1)的結果體現(xiàn)了產(chǎn)生SEP 事件要求激波具有較低的起始形成高度, 從而擁有足夠長的粒子加速時間且能掃過更大空間范圍內(nèi)更多的種子粒子(待加速粒子), 更有效地加速粒子至高能量, 更有利于SEP 事件的形成.因此, 這一結論進一步表明, 若II 型射電暴(激波)能在較低高度(如小于3Rs)形成后并一直維持到較高高度(如大于30Rs),則其對應爆發(fā)產(chǎn)生SEP 事件的概率會明顯高于其他事件, 而這類爆發(fā)事件中的CME 往往具有較高的速度、質(zhì)量和動能等(圖1 和圖6).

4 結果及討論

本文結合多衛(wèi)星聯(lián)合觀測資料, 對第24 太陽活動周273 個II 型射電暴事件進行統(tǒng)計, 并對比分析M IIs only, DH IIs only, M-DH IIs, DH-KM IIs 和M-DH-KM IIs 五類II 型射電暴與SEP 事件之間的關聯(lián).通過分析各類II 型射電暴特征參數(shù)、CME 參數(shù)及其與SEP 事件之間的關系, 探討伴隨不同類型II 型射電暴的CME 產(chǎn)生SEP 事件的觀測特性差異及其可能的物理機理.

主要得到以下結論:

1) 五類II 型射電暴中, 從米波段開始的II 型射電暴更容易產(chǎn)生大SEP 事件, 尤其是M-DHKM IIs 射電暴, 伴隨SEP 事件的比例達73%, 明顯高于其他幾類事件, 其中DH IIs only 伴隨SEP事件的比例最低, 只有19%.

2) M IIs only, DH IIs only, M-DH IIs, DHKM IIs 和M-DH-KM IIs 五類II 型射電暴對應CME 的速度、角寬、質(zhì)量和能量依次逐漸增大, 且每一類事件中產(chǎn)生SEP 事件的CME 參數(shù)均普遍大于不產(chǎn)生SEP 的事件.這表明, 不管伴隨哪一類II 型射電暴, SEP 事件的產(chǎn)生都需要快而寬的高能CME.五類事件中無論是起始于米波段還是DH 波段的II 型射電暴, 結束頻率持續(xù)到越低的頻段, 耀斑持續(xù)時間也就越長, 耀斑爆發(fā)等級越高.這與耀斑和CME 伴生關系一致, 即太陽耀斑越強,持續(xù)時間越長, 與之伴隨的CME 通常也具有更快的速度、更高的能量, 且伴隨各類II 型射電暴, 尤其是延續(xù)到低頻段的射電暴, 更容易產(chǎn)生SEP 事件, 產(chǎn)生的SEP 事件強度也越大.

3) 相比無SEP 事件, 伴隨SEP 產(chǎn)生的II 型射電暴通常具有較高的起始頻率和較低的結束頻率, 以及更長的持續(xù)時間, 其中DH-KM IIs 和MDH-KM IIs 兩類事件中有SEP 的事件持續(xù)時間可達數(shù)小時甚至十小時以上(均值為9.1 和11.8 h).II 型射電暴的持續(xù)時間與結束頻率呈現(xiàn)出很好的線性關系, 相關系數(shù)為–0.93, 且產(chǎn)生SEP 事件的比例隨著射電暴持續(xù)時間的增加而明顯增加, 隨著結束頻率的增加而降低.不產(chǎn)生SEP 的事件主要對應結束頻率高、持續(xù)時間短的射電暴, 同時對應CME 的速度、質(zhì)量以及動能等都較低.結果顯示,CME 的加速度對射電暴持續(xù)時間、是否產(chǎn)生SEP 事件等無明顯影響, 即是否產(chǎn)生SEP 事件更多地取決于CME 速度、質(zhì)量、動能以及伴隨II 型射電暴的持續(xù)時間、頻段跨度等.

4) II 型射電暴的起始高度主要分布在4Rs以下, 其中起始于米波段的II 型射電暴起始高度主要在3Rs以下, 起始于DH 波段的II 型射電暴起始高度主要分布于3Rs—12Rs.各類事件中有SEP產(chǎn)生事件的起始高度低于無SEP 產(chǎn)生事件的, 但有無SEP 事件的分布之間無顯著差異, 表明是否產(chǎn)生SEP 事件不僅僅取決于是否有激波產(chǎn)生(有無射電暴)及激波開始形成的高度, 還受其他因素影響, 如種子粒子環(huán)境等.

5) M IIs only, DH IIs only 和M-DH IIs 三類射電暴的結束高度基本不超過10Rs, 而DH-KM IIs 和M-DH-KM IIs 的結束高度絕大部分超過10Rs, 甚至M-DH-KM IIs 結束高度能達到100Rs以上, 其中能維持到30Rs上的事件約占80%.各類事件中, 產(chǎn)生SEP 的II 型射電暴結束高度均明顯高于不產(chǎn)生SEP 事件的, 且產(chǎn)生SEP 事件的比例基本隨著維持高度的增加而增加, 其中DH-KM IIs 和M-DH-KM IIs 中能從3Rs以下一直維持到較高高度的事件產(chǎn)生SEP 的比例明顯高于其他類型的II 射電暴.

通過以上研究, 可以進一步明晰II 型射電暴與SEP 事件發(fā)生之間的關聯(lián)及物理機制.在各類II 型射電暴事件中, M-DH IIs, DH-KM IIs 和MDH-KM IIs 伴隨產(chǎn)生SEP 事件的比例明顯高于其他兩類II 型射電暴, 其中M-DH-KM IIs 事件比例又遠高于其他四類事件, 其對應CME 的速度、動能、射電暴持續(xù)時間、維持高度等也明顯更高.本文研究表明, 若太陽爆發(fā)活動中的CME 具有較高的能量(strong and energetic, 速度、角寬、質(zhì)量、動能等參數(shù)體現(xiàn)), 伴隨比較劇烈的長時間耀斑爆發(fā)(long duration), 同時伴隨有跨越多個波段的II 型射電暴(Multi-band IIs, 如M-DH-KM IIs),則此爆發(fā)事件具有更高的SEP 事件發(fā)生概率.這一系列的觀測特征實際上反映出CME 激波在較低高度(如小于3Rs)形成后一直維持到較高高度(如大于30Rs), 其激波掃過的區(qū)域更大, 可被加速的粒子數(shù)量更多, 同時激波加速粒子的時間更長,顯然其具有更加優(yōu)越的條件產(chǎn)生(大) SEP 事件,且產(chǎn)生SEP 事件的概率也會大大高于其他類型的射電暴事件.這一結果有助于更好地理解激波加速產(chǎn)生SEP 事件的物理過程和觀測特征及判斷依據(jù),也有助于SEP 事件的空間天氣預報.

感謝以下數(shù)據(jù)網(wǎng)站提供本文觀測數(shù)據(jù): CME 列表及參數(shù)(https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list/; http://spaceweather.gmu.edu/seeds/lasco.php); 耀斑相關數(shù)據(jù)(LMSAL, http://www.lmsal.com/solarsoft/latest_events_archive.html; https://solarmonitor.org/); DH 波II 型射電暴列表 (https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list/radio/waves_type2.html); 米波射電觀測數(shù)據(jù)(Radio Monitoring: Learmonth, CULG, YNAO, http://www.sws.bom.gov.au/World_Data_Centre/1/9, ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/STP/space-weather/solar-data/solar-features/solar-radio/rstnspectral/learmonth/, http://secchirh.obspm.fr/index.php;BIRS, https://www.astro.umd.edu/~white/gb/Data/Images/); DH 波和KM 波射電觀測數(shù)據(jù)(https://cdaweb.gsfc.nasa.gov/pub/data/wind/waves/; STEREO/SWAVES, https://solar-radio.gsfc.nasa.gov/data/stereo/new_summary/); 高能粒子數(shù)據(jù)(STEREO/HET, http://www.ieap.uni-kiel.de/et/ag-heber/costep/data.php; SOHO/EPHIN, http://www2.physik.unikiel.de/SOHO/phpeph/EPHIN.htm).