太陽II型射電暴精細(xì)結(jié)構(gòu)的觀測研究

馮士偉，呂茂水

(山東大學(xué) 空間科學(xué)與物理學(xué)院 山東省光學(xué)天文與日地空間環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 空間科學(xué)研究院，威海264209)

1 引言

在太陽射電動(dòng)態(tài)頻譜圖上，II型暴表現(xiàn)為緩慢頻率漂移的窄帶信號(hào)[1]；這些窄帶的射電信號(hào)為能量電子激發(fā)的等離子體輻射，其基頻輻射的頻率接近當(dāng)?shù)氐入x子體頻率其中π,Ne,e和me分別為圓周率、電子的密度、電荷和質(zhì)量。能量電子是由太陽暴驅(qū)動(dòng)的激波加速所產(chǎn)生，在激波向行星際空間傳播的過程中，當(dāng)?shù)氐入x子體頻率逐漸下降；II型暴的頻率也隨之從高頻向低頻緩慢漂移，由日冕大氣中的GHz降至行星際空間的kHz量級(jí)[3,4]。

除了窄帶和緩慢頻率漂移外，II型暴還具有一個(gè)非常顯著的特征——基頻(F)和諧頻(H)結(jié)構(gòu)。H為F的倍頻，可以為基頻二倍頻(2F)或三倍頻(3F)。H與F支在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和頻漂方面相似。研究表明，約60%的事件同時(shí)具有F和2F支，個(gè)別事例同時(shí)具有F,2F和3F支，目前尚未發(fā)現(xiàn)高于3F的諧頻支[5]。下面將從源區(qū)的尺度、強(qiáng)度、局地觀測結(jié)果以及相關(guān)日冕激波方面闡述II型暴的研究進(jìn)展。

關(guān)于II型暴源區(qū)形態(tài)和尺度的研究，Culgoora日像儀的觀測數(shù)據(jù)曾給出如下結(jié)果。對(duì)臨邊事件，80(43)MHz上的源區(qū)尺度約為0.5(1)R⊙(R⊙表示太陽半徑)，通常呈弧狀，有時(shí)表現(xiàn)出幾個(gè)亮溫度隨時(shí)間(約1 s)變化的分量；源區(qū)位于日面中心時(shí)，80 MHz上的源區(qū)大小為4′～5′，該尺度可能為射電源實(shí)際大小的上限，這是因?yàn)殡姶挪ǖ纳⑸湫?yīng)會(huì)明顯增大源區(qū)的觀測尺度；源區(qū)尺度隨頻率的降低而增加；F的源區(qū)比H的稍大，在相同頻率上F與H的源區(qū)尺度相當(dāng)[6,7]。

II型暴的亮溫度隨時(shí)間、頻率和諧波次數(shù)表現(xiàn)出較大的變化，主要特征如下。通常最高亮溫度隨頻率先增加后減小，絕大多數(shù)暴在頻率降至20 MHz時(shí)完全消失。在不同事件中，亮溫度也存在較大的差異，Culgoora日像儀記錄的一次II型暴在327,160,80和43 MHz上的亮溫度可高達(dá)4×1010,1×1011,8×1012和5×1011K；在另外一個(gè)事件中，亮溫度較低，僅約107K[6]。受傳播效應(yīng)的影響，源于臨邊或背日面的F支輻射被極大地削弱，通常無法探測到，能觀測到的為H支輻射；而源區(qū)位于日面中心的F比H支具有更高的亮溫度[8]。需要指出的是，這些研究結(jié)果均基于較早的觀測數(shù)據(jù)。

人們通過觀測發(fā)現(xiàn)，II型暴常表現(xiàn)為弱極化或者完全沒有極化[9]。然而，某些精細(xì)結(jié)構(gòu)卻具有較高的圓極化，圓極化度高達(dá)80%[10,11]。II型暴的精細(xì)結(jié)構(gòu)是文章關(guān)注的內(nèi)容，其極化特征將在下文中給出。

波長為百米-千米的II型暴還具有局地觀測研究價(jià)值。Bale等人[3]利用Wind飛船上搭載的儀器在1 AU處首次記錄到與II型暴相關(guān)的行星際激波、激波加速的能量電子束流和由能量電子束流激發(fā)的朗繆爾波；他們還推測出激波前沿存在大尺度結(jié)構(gòu)，大小約為21(為地球半徑)，II型暴即處于其中。該研究證實(shí)了II型暴為激波加速的高能電子激發(fā)的等離子體輻射。

在后續(xù)的研究中，Pulupa等人[12,13]選用了更多的觀測事例，給出朗繆爾波形成區(qū)域的性質(zhì)，判斷出適合II型暴形成的條件，并指出激波前沿的彎曲程度、激波上游波前方的結(jié)構(gòu)等均有利于電子的反射和加速；還推測彎曲的漣漪狀區(qū)域(ripple)可用于解釋II型暴的精細(xì)結(jié)構(gòu)。最近，Thejappa和MacDowall[14]也發(fā)現(xiàn)，較強(qiáng)的湍動(dòng)在激發(fā)II型暴和穩(wěn)定激波加速能量電子的能力方面起著重要作用。需要說明的是，Knock等人[15]曾給出了不同的結(jié)論，他們發(fā)現(xiàn)激波與漣漪狀區(qū)域相互作用在激發(fā)II型暴方面的作用不大，漣漪狀區(qū)域由一個(gè)發(fā)展至多個(gè)僅引起II型暴輻射能力增加20%。

局地觀測結(jié)果證實(shí)了行星際II型暴是日冕物質(zhì)拋射(coronal mass ejection,CME)-激波加速能量電子激發(fā)的等離子體輻射。這個(gè)結(jié)論能否推廣至日冕，即日冕中的分米-米波II型暴是否也由激波加速的能量電子激發(fā)？這些激波又是如何產(chǎn)生的？

大量研究表明，日冕中米波II型暴也是由日冕激波加速的能量電子激發(fā)所致[4,16]。驅(qū)動(dòng)激波形成的因素較多，這里列出較常見的兩類：(1)CME、暴的等離子體團(tuán)、噴流或上升的冕環(huán)驅(qū)動(dòng)；(2)耀斑驅(qū)動(dòng)。關(guān)于第一類，主要依據(jù)是CME與II型暴-激波的速度可比[17,18]，或者II型暴輻射源區(qū)位于CME的前沿[19,20]；II型暴源區(qū)位于暴等離子體團(tuán)、噴流或上升冕環(huán)的前方[21,22]。對(duì)第二類，證據(jù)是某些II型暴-激波比CME的速度大一個(gè)數(shù)量級(jí)[23]或者沒有相關(guān)的CME[24]。

另外，II型暴反映了激波的形成和激波加速電子的能力，其源區(qū)相對(duì)耀斑/CME以及激波的位置(前沿或側(cè)翼)也是一個(gè)研究熱點(diǎn)。一方面，由于激波前沿頂部的阿爾芬馬赫數(shù)較大，形成超臨界(supercritical)激波區(qū)域，此處的電子加速能力較強(qiáng)，特別是在激波形成初期[25,26]；而且在激波穿越閉合磁力線(冕環(huán)或冕流)時(shí)可形成準(zhǔn)垂直激波位形，電子易通過激波漂移加速(shock drift acceleration,SDA)獲取能量[27]。另一方面，在CME-激波側(cè)翼與冕流相互作用區(qū)域，阿爾芬速度較低，有利于激波的形成；而且CME-激波與磁場形成準(zhǔn)垂直位形[28,29]，這種磁場位形有助于發(fā)生激波漂移加速。

II型暴是激波加速的能量電子激發(fā)的等離子體輻射，結(jié)合日冕電子數(shù)密度模型，研究人員常利用II型暴的頻率漂移診斷激波速度。另外，使用射電日像儀觀測數(shù)據(jù)記錄的II型暴源區(qū)位置隨時(shí)間的變化，可直接測量得出激波速度；所得速度常作為輸入?yún)?shù)用于空間天氣預(yù)報(bào)[30,31]，以預(yù)測激波到達(dá)地球的時(shí)刻。

可見，II型暴在太陽暴驅(qū)動(dòng)激波、激波加速產(chǎn)生能量電子以及空間天氣預(yù)報(bào)方面具有重要的研究意義，目前相關(guān)研究的某些內(nèi)容仍存在較大爭議。比如，II型暴源區(qū)的大小和亮溫度，而且鮮有基、諧頻觀測特征的詳細(xì)對(duì)比，以及受傳播效應(yīng)影響的分析。此外，II型暴還具有精細(xì)結(jié)構(gòu)，較常見有頻帶分裂、多支、魚骨狀(herringbone)和驟變II型暴等結(jié)構(gòu)，以及最近Magdaleni′c等人[32]發(fā)現(xiàn)的更加精細(xì)的次級(jí)結(jié)構(gòu)。這些精細(xì)結(jié)構(gòu)，除了具有典型II型暴的研究意義外，還可以讓我們更加深入地理解太陽暴過程。特別是，我國正建造一系列太陽射電觀測設(shè)備，如內(nèi)蒙古正鑲白旗、四川稻城的日像儀以及云南昆明、山東威海的頻譜儀，未來將利用我國自主研發(fā)設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)研究II型暴的精細(xì)結(jié)構(gòu)。最近，馮和趙[33]詳述了III型暴精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展。本文將給出II型暴精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展以及將來可開展的研究內(nèi)容。第2,3,4和5章將分別介紹頻帶分裂、多支、魚骨狀和驟變II型暴，最后一部分為總結(jié)和討論。

2 頻帶分裂II型暴

II型暴的頻帶分裂現(xiàn)象是指II型暴的基頻和諧頻又各自分裂為譜形、強(qiáng)度、頻漂相似的高頻(f u)和低頻(f l)支[6]，如圖1a)所示。關(guān)于它的成因，存在如下幾種解釋：(1)磁場-離子共振(magneto-ionic resonances)，由等離子體中橫向和縱向傳播的磁場-離子共振引起的頻率分離，分離大小為/2f p，f b和f p分別為電子回旋頻率和等離子體頻率，?1[34,35]；(2)多普勒效應(yīng)，激發(fā)射電輻射的電子在上升和下降的激波分量內(nèi)沿相反方向漂移產(chǎn)生頻帶分裂[36]；(3)源區(qū)位置，f u和f l分別源于密度高低不同的兩個(gè)區(qū)域，比如f u和f l的源區(qū)分別位于閉合冕環(huán)的內(nèi)部和外部[37]；(4)朗繆爾凹陷，在能量電子束流的作用下，通過非線性作用形成朗繆爾凹陷，凹陷內(nèi)的電子數(shù)密度比周圍的低，凹陷的低密度(低頻支)與周圍的正常密度(高頻支)同時(shí)產(chǎn)生朗繆爾輻射，形成頻帶分裂的高低頻支[38]。

圖1 頻帶分裂太陽II型射電暴

然而，后來研究發(fā)現(xiàn)這些解釋都存在問題：滿足第一種觀點(diǎn)所需磁場強(qiáng)度非常高，這使得擾動(dòng)傳播路徑上的阿爾芬速度較大，甚至高于擾動(dòng)的傳播速度，這與激波產(chǎn)生的必要條件不相符；對(duì)第二種觀點(diǎn)，基頻輻射不存在多普勒漂移，僅擁有穩(wěn)定離子散射的等離子體波[39]；第三種觀點(diǎn)無法解釋f u與f l譜形一致的原因；對(duì)第四種解釋，依據(jù)地球舷激波的觀測，頻帶分裂的裂寬應(yīng)是電子回旋頻率的一半，但這未得到證實(shí)[40,41]。

目前，較為普遍接受的觀點(diǎn)由Smerd等人[42]提出：頻帶分裂的f u和f l支分別對(duì)應(yīng)能量電子在激波的下游和上游激發(fā)的輻射(簡稱為激波上下游解釋)，如圖1b)所示。f u相對(duì)f l支的分裂程度由它們的頻率比表示。該比值大小與頻率有關(guān)，在米波段處于0.1～0.3之間，十、百米波段增大至0.4～0.6[43–45]。

支持激波上下游解釋的依據(jù)既有局地觀測的又有遙測的。對(duì)局地觀測證據(jù)，Vr?ank等人[43]發(fā)現(xiàn)順時(shí)延長后的行星際II型暴的f u和f l分別對(duì)應(yīng)局地朗繆爾振蕩的峰值和最低值?；诩げㄏ律嫌谓忉專麄儨y定了II型暴的相對(duì)裂寬(relative instantaneous split)，BDW=(f u?f l)/f l，即高頻支與低頻支輻射頻率之差除以低頻支頻率所得比值；并計(jì)算了激波壓縮比N12=(f u/f l)2，以及壓縮比隨日心距離的變化。在另外兩篇系列文章中，Vr?ank等人[44,45]分析一批具有頻帶分裂特征的米、千米波II型暴，測定日冕和日地空間頻帶分裂II型暴的相對(duì)裂寬和激波壓縮比；有了激波壓縮比，他們通過激波位形的準(zhǔn)垂直/平行假設(shè)，計(jì)算出激波馬赫數(shù)和傳播路徑上的阿爾芬速度，然后再依據(jù)合適的日冕電子數(shù)密度模型推算磁場強(qiáng)度。后來，很多研究人員也利用II型暴頻帶分裂結(jié)果對(duì)有關(guān)事件中的磁場強(qiáng)度和激波馬赫數(shù)做了類似的推斷[17,28,46–49]。

對(duì)基于Nan?cay Radio Heliograph(NRH)射電成像的遙測證據(jù)，結(jié)合Solar Dynamics Observatory(SDO)/Atmospheric Imaging Assembly(AIA)的觀測數(shù)據(jù)，Zimovets等人[50]發(fā)現(xiàn)不同時(shí)刻f l的源區(qū)比f u的高，更遠(yuǎn)離日面；而且兩源區(qū)均位于暴等離子體結(jié)構(gòu)的上方。他們的觀測結(jié)果證實(shí)，f l的輻射來自激波上游，f u的來自激波下游。最近，Chrysaphi等人[48]利用low frequency array(LOFAR)的數(shù)據(jù)開展研究，結(jié)果也支持激波上下游解釋。

然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，無論從觀測還是理論方面均未在激波下游發(fā)現(xiàn)朗繆爾波[41]，頻帶分裂激波上下游解釋存在某些不確定性。為了研究II型暴的頻帶分裂特征，Du等人[51]遍歷Radio Solar Telescope Network(RSTN)的太陽射電動(dòng)態(tài)頻譜數(shù)據(jù)，找到了18例具有明顯頻帶分裂特征的事例，部分結(jié)果如圖2所示。他們發(fā)現(xiàn)這些選自不同太陽活動(dòng)周、日冕參數(shù)差別很大、相關(guān)CME速度相差幾倍的事件，竟擁有相對(duì)固定的f u/f l頻率比，80%的為1.15～1.25。而且，無論是不同事件之間還是單個(gè)事件的整個(gè)過程，頻率比都基本保持不變。另外，他們重新分析了Vr?nak等人[44]的證據(jù)，發(fā)現(xiàn)所用數(shù)據(jù)具有幾倍的不確定性。

圖2 基頻和諧頻同時(shí)具有頻帶分裂特征的8例太陽II型射電暴事件[51]

因此，II型暴的頻帶分裂特征需要進(jìn)一步研究。利用我國最新建造的太陽射電觀測設(shè)備研究分裂II型暴與無分裂特征II型暴的射電源區(qū)，有助于判斷分析導(dǎo)致II型暴分裂的物理機(jī)制。

3 多支II型暴

一些射電暴，在短時(shí)間內(nèi)(10～30 min)出現(xiàn)兩支或兩支以上起始時(shí)刻、頻漂不同的II型暴，即多支II型暴[52]，見圖3a)。多支II型暴的起源主要有兩種觀點(diǎn)：(1)起源于同一CME/耀斑-激波，激波的鼻端和側(cè)翼均為II型暴源區(qū)；(2)源自不同的日冕激波，即CME-激波和耀斑-激波的鼻端/側(cè)翼均為II型暴源區(qū)，如圖3b)所示。觀點(diǎn)一與觀點(diǎn)二的區(qū)別為多支II型暴是與一個(gè)還是多個(gè)激波相關(guān)。

圖3 多支太陽II型射電暴

關(guān)于第一個(gè)觀點(diǎn)，Robinson和Sheridan[52]最早研究了1968―1981年間CSIRO天文臺(tái)記錄的20例清晰的多支II型暴，通過仔細(xì)分析它們的頻漂、速度、形態(tài)特征和暴位置等，判定多支II型暴起源于同一激波與不同日冕結(jié)構(gòu)相互作用的區(qū)域。此外，研究人員基于成像觀測數(shù)據(jù)開展的研究也得到了相似的結(jié)論[9,20,53]。Feng等人[20]分析了發(fā)生于2011年2月16日的一例事件，該事件同時(shí)具有extreme ultraviolet(EUV)/白光、射電波段的成像觀測數(shù)據(jù)；利用這些數(shù)據(jù)，F(xiàn)eng等人發(fā)現(xiàn)其中的三支II型暴均與同一EUV波相關(guān)，該波由CME驅(qū)動(dòng)；利用多視角EUV波的觀測數(shù)據(jù)重構(gòu)出三維激波，并計(jì)算出射電源的三維坐標(biāo)，發(fā)現(xiàn)這三支II型暴的源區(qū)均位于激波西側(cè)翼，其中兩支源區(qū)處于激波南部，相距較近，另外一源區(qū)位于相距較遠(yuǎn)的激波北側(cè)，如圖4所示。最近，Lv等人[9]研究發(fā)現(xiàn)多支II型暴源區(qū)的演化與CME驅(qū)動(dòng)的EUV波相關(guān)。

圖4 多支II型暴射電源區(qū)與激波的相對(duì)位置[20]

對(duì)第二種觀點(diǎn)，Maxwell和Dryer[54]與Gergely等人[55]都分別從觀測和模擬兩方面，證明了兩束不同的日冕激波可能引起多支II型暴。其中，Gergely等人報(bào)道了一例包含兩支II型暴的事件，這個(gè)事件發(fā)生于1981年5月8日，活動(dòng)區(qū)AR3039位于N10E38，暴產(chǎn)生了M7.7級(jí)耀斑，并伴有CME；基于壓力脈沖假設(shè)，他們利用2.5維Magnetohydrodynamics(MHD)模型模擬出源于同一活動(dòng)區(qū)不同位置的兩個(gè)激波，兩者分別激發(fā)了兩支II型暴。

之后，研究者陸續(xù)給出了觀測證據(jù)[56–58]。其中，Shanmugaraju等人[57]細(xì)致分析了1997年1月至2003年7月之間Culgoora射電頻譜儀記錄的38例II型暴，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)事件同時(shí)伴隨耀斑和CME，沒有證據(jù)表明這些事件與多個(gè)耀斑或多個(gè)CME相關(guān)。因此，他們指出所研究的多支II型暴分別由耀斑和CME驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生。

由于耀斑和CME出現(xiàn)的時(shí)刻相差小，觀測上很難唯一確定多支II型暴是耀斑或/和CME驅(qū)動(dòng)的激波引發(fā)。另外，多支II型暴事件的起源方式也可能不完全相同，比如，有些多支II型暴事件可能與耀斑和CME驅(qū)動(dòng)的激波相關(guān)，而有些事件的源區(qū)可能位于同一激波的不同區(qū)域。因此，需要利用更多高分辨率的多波段成像和射電頻譜數(shù)據(jù)對(duì)多支II型暴的形成進(jìn)行甄別和研究，判斷多支II型暴究竟是與耀斑、CME等驅(qū)動(dòng)的不同日冕激波相關(guān)，還是與同一日冕激波相關(guān)。

4 魚骨狀I(lǐng)I型暴

有些II型暴由主干(backbone)向高頻和低頻分別伸出多組快速頻率漂移的射電輻射，形成魚骨狀I(lǐng)I型暴[59]。形象地講，若將II型暴的主干比喻成魚的脊骨，這些快速漂移的射電信號(hào)為連接在脊骨上的魚刺，多組脊骨和魚刺連接成一排人字形的射電暴，見圖5a)。另外，部分此類射電暴僅有魚骨，而缺少緩慢頻漂的主干[60]，見圖6。

圖5 魚骨狀太陽II型射電暴

圖6 無主干魚骨狀太陽II型射電暴動(dòng)態(tài)頻譜圖[65]

魚骨狀I(lǐng)I型暴的可能成因主要有兩點(diǎn)。(1)與II型暴相關(guān)的激波通過激波漂移加速產(chǎn)生能量電子，這些能量電子沿附近大尺度準(zhǔn)開放磁力線快速(0.1c～0.5c)飛離加速區(qū)時(shí)激發(fā)等離子體輻射[59]。能量電子的飛離區(qū)可以為激波上游或下游，如圖5b)所示的兩種情形。(2)Holman和Pesses[27]給出產(chǎn)生激發(fā)II型暴的能量電子需要相關(guān)激波法向與磁場方向的夾角ψ>80?；然而，當(dāng)ψ≈90?時(shí)電子卻難以有效地加速?；谶@一結(jié)果，他們認(rèn)為當(dāng)彎曲的激波穿越密度梯度足夠大的日冕區(qū)域時(shí)，ψ≈80?～90?的激波兩側(cè)向區(qū)域可以輻射產(chǎn)生魚骨狀射電暴，而激波頂約90?區(qū)域無法輻射II型暴主干，故形成了僅有魚骨結(jié)構(gòu)的II型暴。

這兩種解釋存在的問題分別是：(1)激波漂移加速雖然能產(chǎn)生激發(fā)魚骨狀I(lǐng)I型暴所需要的能量電子，但是這種加速電子的方式所需的物理?xiàng)l件(特別是對(duì)激波位形的要求)比較苛刻，發(fā)生的可能性較低[61]；(2)圖6顯示無主干II型暴中正、反向頻率漂移魚骨結(jié)構(gòu)的起始頻率基本相同，這意味著兩者起始頻率的源區(qū)基本重合，與Holman和Pesses[27]所述ψ≈80?～90?的激波兩側(cè)向區(qū)域不相符。

觀測數(shù)據(jù)顯示，大約20%的II型暴具有魚骨狀結(jié)構(gòu)；在輻射強(qiáng)度較大的事例中，出現(xiàn)的幾率更高，可達(dá)60%；魚骨狀結(jié)構(gòu)可出現(xiàn)在基頻和二次諧頻支，帶寬較窄，約10～30 MHz；頻漂速度比II型暴主干的快，約10 MHz·s?1(與III型暴的類似)，而且具有雙向頻漂的特點(diǎn)[62]。

多位學(xué)者已給出魚骨狀I(lǐng)I型暴觀測特征的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。Cairns和Robinson[63]利用Culgoora頻譜儀的大量數(shù)據(jù)，從頻譜形貌、單個(gè)魚骨結(jié)構(gòu)的物理特征、魚骨組的特性和魚骨結(jié)構(gòu)與耀斑的關(guān)系等方面對(duì)魚骨結(jié)構(gòu)的觀測特性進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為魚骨結(jié)構(gòu)與普通II,III型暴均有明顯區(qū)別。80%的魚骨狀I(lǐng)I型暴，主干的二次諧頻強(qiáng)于基頻；然而，魚骨分量恰好相反，基頻強(qiáng)于諧頻，同時(shí)基頻的偏振度較高。Dorovskyy等人[11]利用UTR-2和URAN-2的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)研究了300多支魚骨狀I(lǐng)I型暴。他們發(fā)現(xiàn)魚骨狀結(jié)構(gòu)的極化度約為50%，有的高達(dá)80%；更重要的是，正向和反向頻率漂移的魚骨結(jié)構(gòu)的極化方向相同，均為左旋圓極化；而在魚骨狀I(lǐng)I型暴之前的III型暴，其極化度僅為20%～30%，極化反向，為右旋圓極化。

另外，魚骨狀結(jié)構(gòu)還具有準(zhǔn)周期性[64]。Carley等人[64]研究發(fā)現(xiàn)等離子體團(tuán)驅(qū)動(dòng)的準(zhǔn)垂直激波能夠?qū)﹄娮舆M(jìn)行準(zhǔn)周期加速，這與激波前沿的湍動(dòng)和漣漪狀區(qū)域引起的效果相似。

最近，Morosan等人[65]利用LOFAR的射電成像數(shù)據(jù)，結(jié)合極紫外成像儀以及日冕儀等多波段的觀測數(shù)據(jù)對(duì)魚骨狀I(lǐng)I型暴進(jìn)行了細(xì)致的分析，確認(rèn)了其源區(qū)位于CME-激波前沿的多個(gè)位置，即激波前沿出現(xiàn)多個(gè)能量電子形成區(qū)域。該結(jié)果也支持膨脹的CME驅(qū)動(dòng)形成非均勻、漣漪狀的激波。需要指出的是，所研究的魚骨狀I(lǐng)I型暴處于10 m波段，射電成像觀測受傳播效應(yīng)的影響較大[7]，研究結(jié)果存在一定的不確定性。

可見，魚骨狀I(lǐng)I型暴需要更多的多波段成像觀測研究。特別是，魚骨狀結(jié)構(gòu)源區(qū)與主干源區(qū)在位置方面的差異，以及同時(shí)具有頻帶分裂特征時(shí)，魚骨狀結(jié)構(gòu)的源區(qū)與頻帶分裂II型暴高頻和低頻支的源區(qū)位置有何區(qū)別。

5 驟變II型暴

有些II型暴的頻率并不是連續(xù)地逐漸下降，而是呈現(xiàn)陡降、緩降甚至升高，亮溫度也同時(shí)驟然增強(qiáng)或降低。這些現(xiàn)象均被認(rèn)為由(CME)激波-射電源區(qū)穿越不同日冕結(jié)構(gòu)所致。例如，激波-II型暴源區(qū)穿入CME、冕流等高密度結(jié)構(gòu)，II型暴頻率升高、輻射強(qiáng)度增加[29,66–69]；源區(qū)傳出冕流結(jié)構(gòu)，II型暴頻率陡降[70,71]；源區(qū)穿過冕環(huán)引起II型暴譜形間斷[72]。

最近，Al-Hamadani等人[73]統(tǒng)計(jì)研究了行星際II型暴輻射強(qiáng)度突然增加的現(xiàn)象，他們分析了2011―2014年間的16例事件，發(fā)現(xiàn)其中38%的事例由CME-激波與冕流相互作用引起，25%由可能的CME-CME相互作用引發(fā)，其余的成因無法確定。最后，他們得出結(jié)論：II型暴輻射增強(qiáng)可能有不同的成因，具體原因取決于太陽暴的整體過程。由于光學(xué)成像設(shè)備(日冕儀和極紫外成像儀)具有較高的時(shí)間和空間分辨率，結(jié)合光學(xué)成像觀測數(shù)據(jù)，可利用驟變II型暴診斷II型暴的源區(qū)位置，進(jìn)而基于所定位置分析電磁波的傳播特性，以及修正空間天氣預(yù)報(bào)結(jié)果。

關(guān)于CME-激波穿入冕流產(chǎn)生的驟變II型暴，F(xiàn)eng等人[29,68]研究了發(fā)生于2003年11月1日和2007年12月31日的兩例CME-冕流相互作用伴隨的射電特征。其中，與CME-冕流相互作用最為直接的表現(xiàn)是II型暴的譜形隆起結(jié)構(gòu)(見圖7)，即輻射頻率隨時(shí)間在緩慢下降過程中暫時(shí)出現(xiàn)的相對(duì)抬升特征，這由CME-激波-射電輻射區(qū)穿越高密度冕流結(jié)構(gòu)引起。此外，動(dòng)態(tài)譜中還觀測到了與隆起特征同時(shí)出現(xiàn)的其他射電信號(hào)，如，分別向高頻和低頻漂移的類III型暴和彌散的IV型暴特征，前者可能由被激波加速后逃入冕流區(qū)域開放的或大尺度閉合磁力線的能量電子激發(fā)，后者則可能由激波注入且約束于冕流閉合環(huán)中的能量電子輻射產(chǎn)生(如圖8所示)，兩者均可能與CME激波穿越冕流過程有關(guān)。結(jié)合成像觀測數(shù)據(jù)，F(xiàn)eng等人判斷出兩II型暴隆起的源區(qū)均位于CME-激波側(cè)翼與冕流相互作用區(qū)域。在CME側(cè)向，其拋射體最初的膨脹速度非?？?，能夠驅(qū)動(dòng)激波產(chǎn)生。在太陽表面附近，磁力線基本上沿徑向，激波側(cè)向與磁力線相互垂直。Feng等人的結(jié)論驗(yàn)證了準(zhǔn)垂直激波位形是一個(gè)有效的電子加速器，與Wu[74]和Guo等人[75]關(guān)于垂直激波位形下電子加速的理論和模擬研究結(jié)果相一致。

圖7 2003年11月1日22:30～23:20 UT間太陽射電動(dòng)態(tài)頻譜圖[29]

圖8 圖7中不同類型射電暴形成原因的卡通圖[29]

人們對(duì)CME-激波穿出冕流引起的II型暴譜形變化也進(jìn)行了研究。Kong等人[70]報(bào)道了發(fā)生于2011年3月27日的一次有趣的II型暴，該事件的動(dòng)態(tài)頻譜形狀由慢漂急劇轉(zhuǎn)為快漂——斷譜。結(jié)合極紫外成像儀和日冕儀的成像觀測數(shù)據(jù)，他們認(rèn)為相應(yīng)的暴發(fā)生在冕流內(nèi)，該暴驅(qū)動(dòng)的快激波由冕流內(nèi)部向外傳播，譜形的跳變由激波穿越冕流亮度邊界處的密度陡降區(qū)域引發(fā)。另外，Gao等人[71]也給出了II型暴頻率陡降的現(xiàn)象，通過分析多波段數(shù)據(jù)，她們發(fā)現(xiàn)CME-激波穿越電流片引發(fā)了斷譜，還依據(jù)斷譜譜形間隙的持續(xù)時(shí)間計(jì)算出了電流片尺寸。

Gopalswamy等人[66]最先報(bào)道了行星際II型暴伴隨著類似連續(xù)射電輻射的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，與此同時(shí)LASCO(Large Angle Spectrometric Coronagraph)觀測到快速CME穿越前面慢CME，而且射電輻射增強(qiáng)的持續(xù)時(shí)間與CME-激波穿過慢CME核心的時(shí)間一致。因此，他們認(rèn)為是CME-CME相互作用引起了電子加速能力增強(qiáng)和射電暴輻射強(qiáng)度增加。另外，由于兩CME相互作用，慢速CME核的軌跡發(fā)生了改變。他們利用II型暴估計(jì)出慢速CME核心的密度約4×104cm?3，并認(rèn)為CME-CME相互作用可能引起空間天氣的誤報(bào)；據(jù)此，還給出了1 AU處局地設(shè)備探測到太陽風(fēng)中出現(xiàn)異常成份的原因。

最近，Makela等人[69]也研究給出了CME-CME相互作用引起的II型暴增強(qiáng)現(xiàn)象。他們還利用三角測量方法，通過不同方向上測量的II型暴確定了II型暴的源區(qū)位置；所測位置與LASCO/C3觀測的CME主體的前沿相符合；最后，他們經(jīng)分析給出結(jié)論：低頻段的電磁波在傳播過程中，散射效應(yīng)對(duì)射電源的影響較大。

需要指出的是，這些由CME-激波穿越高密度結(jié)構(gòu)引起的驟變II型暴均無射電成像觀測結(jié)果，即無法將射電源區(qū)與光學(xué)成像設(shè)備的觀測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；而且所有日冕圖像均為復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)在二維平面上的投影，所分析的二維圖像可能受到不相關(guān)結(jié)構(gòu)的影響，無法得到真實(shí)的日冕激波位形。因此，有必要結(jié)合多波段成像觀測數(shù)據(jù)加深驟變II型暴的研究，理解與CME-CME和CME-冕流相互作用相關(guān)的物理過程。

6 總結(jié)與展望

本文主要介紹了II型暴的四類精細(xì)結(jié)構(gòu)，即頻帶分裂、多支、魚骨狀以及驟變II型暴，給出了它們的觀測特征、成因、研究進(jìn)展、日冕參數(shù)的診斷結(jié)果，以及在研究中存在的問題。所得結(jié)果如下所述。

(1)頻帶分裂II型暴。II型暴的基頻、諧頻又各自分裂為譜形、強(qiáng)度、頻漂相似的高頻和低頻支。目前，較為認(rèn)可的解釋為頻帶分裂II型暴的高頻和低頻支分別對(duì)應(yīng)能量電子在激波的下游和上游激發(fā)的等離子體輻射。頻帶分裂的II型暴可用于診斷激波壓縮比、馬赫數(shù)以及磁場強(qiáng)度。在將來的研究中，需要利用新建太陽射電觀測設(shè)備的數(shù)據(jù)將分裂II型暴與無分裂特征II型暴的射電源區(qū)進(jìn)行對(duì)比，判斷分析導(dǎo)致II型暴分裂的物理機(jī)制。

(2)多支II型暴。在短時(shí)間內(nèi)(10～30 min)出現(xiàn)兩支或兩支以上起始時(shí)刻、頻漂不同的II型暴。激發(fā)多支II型暴的激波可能是一個(gè)也可能是多個(gè)，因此，存在的問題是多支II型暴究竟是與耀斑、CME等驅(qū)動(dòng)的不同激波相關(guān)還是與同一激波相關(guān)。需要利用更多高分辨率的多波段成像和射電頻譜數(shù)據(jù)對(duì)多支II型暴的形成進(jìn)行甄別和研究，判定多支II型暴的成因。

(3)魚骨狀I(lǐng)I型暴。由II型暴主干向高頻和低頻分別伸出多組快速頻率漂移的射電輻射，或僅有魚骨結(jié)構(gòu)而缺少緩慢頻漂的主干。它們的形成原因可能是，激發(fā)II型暴主干的能量電子沿附近大尺度準(zhǔn)開放磁力線快速飛離加速區(qū)輻射產(chǎn)生；或者，在彎曲激波穿越密度梯度足夠大的日冕區(qū)域過程中由激波兩側(cè)向區(qū)域(ψ≈80～90?)輻射產(chǎn)生。這種II型暴可用于診斷激波加速電子的能力和特點(diǎn)。還需要開展的研究有，其源區(qū)與相關(guān)II型暴主干的位置差異，以及同時(shí)具有頻帶分裂特征時(shí)魚骨狀的源區(qū)與頻帶分裂II型暴高頻和低頻支的源區(qū)位置有何區(qū)別。

(4)驟變II型暴。有些II型暴的頻率并不是連續(xù)地逐漸下降，而是呈現(xiàn)陡降、緩降甚至升高；同時(shí)輻射強(qiáng)度也表現(xiàn)出驟變。這些現(xiàn)象均被認(rèn)為由(CME)激波-射電源區(qū)穿越不同的日冕結(jié)構(gòu)引發(fā)。結(jié)合光學(xué)成像觀測數(shù)據(jù)，可利用驟變II型暴診斷II型暴的源區(qū)位置，進(jìn)而基于所定位置分析電磁波的傳播特性，以及修正空間天氣預(yù)報(bào)結(jié)果。存在的問題是，CME-激波穿越高密度結(jié)構(gòu)引起的驟變II型暴缺乏射電成像觀測，即沒有源區(qū)位置這一最直接的證據(jù)。

由于II型暴的精細(xì)結(jié)構(gòu)在認(rèn)識(shí)和理解太陽暴驅(qū)動(dòng)激波、激波加速電子方面具有獨(dú)特意義，需利用我國自主研發(fā)設(shè)備記錄的最新高分辨率射電數(shù)據(jù)對(duì)II型暴及其精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的研究；并將這些研究結(jié)果與其他電磁波段觀測設(shè)備的測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以更深入地理解太陽暴過程。另外，我國在北京、內(nèi)蒙古、四川、云南、山東等地?fù)碛胁煌l段的太陽射電動(dòng)態(tài)頻譜儀或日像儀[76–79]，我們可將這些觀測數(shù)據(jù)結(jié)合起來，開展II型暴及其精細(xì)結(jié)構(gòu)的觀測研究。特別是，建設(shè)中的日像儀均于設(shè)計(jì)帶寬內(nèi)全頻帶觀測，這是之前同類設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)的，有望在II型暴的研究方面取得新進(jìn)展。具體而言，可以研究如下問題。

(1)II型暴的源區(qū)屬性。相同時(shí)刻、不同頻率上II型暴主干的源區(qū)位置差異以及與激波的位置關(guān)系，源區(qū)是均位于激波上游還是既有上游又有下游。不同精細(xì)結(jié)構(gòu)之間源區(qū)性質(zhì)以及源區(qū)相對(duì)激波位置關(guān)系的差異，比如頻帶分裂II型暴與魚骨狀I(lǐng)I型暴源區(qū)的異同。

(2)日冕閃爍。聯(lián)合使用光學(xué)、射電成像觀測數(shù)據(jù)，通過分析不同頻率上II型暴的源區(qū)性質(zhì)，定量研究日冕大氣對(duì)II型暴源區(qū)的影響，并將研究結(jié)果用于修正II型暴的測量結(jié)果、診斷日冕密度和磁場等參數(shù)以及提高空間天氣預(yù)報(bào)精度。比如，我們可以首先通過日冕儀偏振數(shù)據(jù)反演或EUV數(shù)據(jù)DEM(differential emission measure)分析給出日冕的電子數(shù)密度分布，利用射電日像儀觀測確定II型暴源區(qū)所處位置，再結(jié)合太陽射電頻譜圖中II型暴的帶寬，即可估算出II型暴源區(qū)在日冕儀中的尺度；將所定尺度與射電日像儀觀測結(jié)果對(duì)比，然后分析太陽大氣對(duì)射電暴尺度和形態(tài)的影響，最后可得到電磁波傳播路徑上的某些日冕大氣參數(shù)。