日冕激波与Ⅱ型射电暴的观测研究

来源 :南京大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cmfu2008
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磁流体力学(MHD)激波是一种重要的物理现象,它广泛地存在于各种尺度的天体和天体物理环境中,它能有效地加速电子和离子。对MHD激波的研究有助于我们理解各种高能物理过程。日冕激波是日球层中最重要的MHD激波之一,也是一种能频繁观测到的天体物理学激波。日冕激波在射电波段的辐射特征是Ⅱ型射电暴。太阳爆发中的各种高能事件常常与日冕激波或Ⅱ型射电暴相关,比如太阳高能粒子(SEP)事件等。但是,日冕激波还有很多问题没有解决。比如,日冕激波到底是由耀斑产生的爆震波还是由日冕物质抛射(CME)驱动的活塞激波?Ⅱ型射电暴的产生需要什么条件?它的产生对各个物理量的依赖性如何?激波附近等离子体的物理性质是怎样的?激波对粒子的加速有何作用?激波对电子和质子的加热有何不同?本论文基于高质量的地面和空间观测资料,通过详细的数据分析,试图探讨并尝试着解决这其中的一些问题。  第一章介绍了论文的研究背景,重点介绍了日冕激波的射电辐射特征即Ⅱ型射电暴;指出了日冕激波中的几个主要问题,包括日冕激波的起源,激发Ⅱ型射电暴的条件,以及对日冕激波的物理性质的研究;描述了日冕激波对粒子的加速与加热问题。  在第二章中,我们介绍了论文研究中用到的主要观测仪器,观测数据来源和分析方法。  在第三章中,我们详细研究了一个无CME伴随的Ⅱ型射电暴事件。该Ⅱ型射电暴发生于2011年2月28日,持续时间较短,没有相伴随的CME,只有一个C2.4级的耀斑和一个窄的喷流与之相关。但是,在Ⅱ型射电暴发生的时间段,我们在极紫外波段图像中发现了一个向外传播速度为600kms-1的波动。为了确认Ⅱ型射电暴与这个波动之间的关系,我们用微分辐射度(DEM)方法得到了日冕密度的径向分布,结合经验的密度模型,再利用Ⅱ射电暴的动态频谱特征(频率漂移速率),反演出比较可靠的激波速度。结果表明,用极紫外图像直接测量的波动速度与通过射电频谱反演的激波速度大小相当。又考虑到极紫外波动与Ⅱ型射电暴的发生时间基本一致,我们认为极紫外图像中的波动就是这个Ⅱ型射电暴所表征的日冕激波。在此,我们进一步提出了一个新的机制来解释这个无CME的伴随的日冕激波:日冕中倾斜角很大的磁环和新浮磁流产生重联,重联后的磁环会有强烈的弯曲,逐渐释放的磁张力驱动等离子体向外运动,导致在磁环前面产生激波。在这种机制中,向外膨胀的磁环起到了类似CME驱动激波的作用。  在第四章中,我们重点研究Ⅱ型射电暴的激发条件,特别关注了日冕激波上下游的参数特征。为此,我们选取2014年1月8日的一个Ⅱ型射电暴事件,这个事件对应于一个边缘CME。通过分析,我们发现在Atmospheric ImagingAssembly(AIA)的193(A)和211(A)极紫外波段图像展示了一个两层的向外传播的结构:其中外层结构速度略快,对应于激波;而内层结构速度较慢,对应于CME前沿。由于这个激波的波前是一个接近于圆形的弧面,我们通过拟合得到了圆弧的圆心和不同时刻的半径。以拟合圆心与日心方向为基线(0°方向),各个时刻的拟合半径为半径,我们把激波面每隔15°划分为7个方向(在-45到45°范围)。我们测量了各个方向的传播速度,发现在-15°方向激波速度最快,略快于其他方向。同时,我们还计算了Ⅱ型射电暴爆发过程中的激波所在区域的温度和总发射度(EM)的分布。我们还给出了更合理的视向深度估算方法,由此进一步计算出不同方向上激波上下游的密度比,温度比和阿尔芬马赫数;同时,用射电动态频谱中的频带分裂现象得到激波的压缩比。通过比较,我们发现Ⅱ型射电暴主要是在激波面较小的区域内激发,而不是在整个激波(波前面)激发,在这个事件中,Ⅱ型射电暴起源于激波面30°-45°方向区域内;激波的绝对速度仅仅是产生Ⅱ型射电暴的条件之一,激发Ⅱ型射电暴还需要其他条件,在这个事件中,Ⅱ型射电暴起源于激波压缩比更大,阿尔芬马赫数更高的地方。我们还用相同的方法分析了2013年1月到2014年12月的7个Ⅱ型射电暴事件,我们发现在Ⅱ型射电暴开始时刻,压缩比的范围在1.08到1.36之间,阿尔芬马赫数的范围为1.06到1.28。由于压缩比和马赫数是表示激波强度的一个重要特征,这两个参数的范围可以被认为是Ⅱ型射电暴产生的重要参考条件。  在第五章中,我们对1997到2011年的Ⅱ型射电暴做了一个统计分析。按照被观测到的波段,首先将Ⅱ型暴分为以下三类:(1)只在米波波段有能观测到Ⅱ型射电暴的事件(M事件),(2)只在十米-百米-千米波波段被观测到Ⅱ型射电暴的事件(DH事件),(3)从米波波段到千米波波段都能观测到的Ⅱ型射电暴事件(M-KM事件)。我们分析这三类事件(M事件,DH事件,M-KM事件)与CME的相关性,发现CME的速度,角宽度和晕状CME所占比例等参数从第一类到第三类事件依次增加。这个结果说明要在更高层产生激波或者激发Ⅱ型射电暴,需要驱动激波的CME的速度更快,能量更高。我们还统计了米波Ⅱ型射电暴的等待时间分布(WTD),并与SEP的WTD做了对比,发现它们的WTD的谱指数和不稳定泊松分布指数都很接近,这说明米波Ⅱ型暴所表征的激波与SEP之间有紧密的关系。  文章最后给出了工作总结和对下一步工作的展望。
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