梁莎莎 梁紅飛 梁周渝 段雅丹 楊麗平

(1 云南師范大學(xué)物理與信息學(xué)院 昆明 650500)

(2 云南省高校高能天體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 昆明 650500)

1 引言

人們普遍認(rèn)為,太陽(yáng)上發(fā)生的各種各樣的活動(dòng)來(lái)自非勢(shì)磁能的耗散.所以,太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)應(yīng)該充滿(mǎn)了流動(dòng)的電流.因此,電流和耀斑的關(guān)系這一問(wèn)題一直是太陽(yáng)物理中的前沿研究課題,對(duì)這一問(wèn)題的回答不僅有利于測(cè)試各種耀斑模型[1],還有利于進(jìn)行太陽(yáng)活動(dòng)和空間天氣的預(yù)報(bào).但是,目前對(duì)這一問(wèn)題還沒(méi)有一個(gè)明確的答案.耀斑是太陽(yáng)上最劇烈的活動(dòng)現(xiàn)象之一,按照耀斑的基本結(jié)構(gòu)和物理機(jī)制特征,人們通常把耀斑分為兩種基本類(lèi)型: 致密耀斑和雙帶耀斑[2].長(zhǎng)期研究表明,兩種類(lèi)型耀斑的磁能釋放機(jī)制都有可能與磁重聯(lián)過(guò)程有密切關(guān)系.雙帶耀斑模型中的磁重聯(lián)電流片結(jié)構(gòu)最早見(jiàn)于Carmichael[3]和Sturrock[4]提出的模型,后經(jīng)Hirayama[5]、Kopp和Pneuman的研究和完善[6],這個(gè)模型現(xiàn)在被稱(chēng)為雙帶耀斑的CSHKP(前述5位作者的姓名首字母)模型.在CSHKP模型中,耀斑爆發(fā)后從太陽(yáng)向外伸展的反平行磁力線(xiàn)之間會(huì)形成電流片.在這個(gè)電流片的重聯(lián)中釋放出為太陽(yáng)耀斑提供動(dòng)力的磁能,同時(shí)形成耀斑后環(huán),并且耀斑帶通常與這種類(lèi)型的爆發(fā)事件相關(guān)聯(lián)[7–8].CSHKP模型中預(yù)測(cè)的電流片存在于日冕之中,SOHO(Solar and Heliospheric Observatory)衛(wèi)星/極紫外日冕光譜儀(Ultraviolet Coronagraph Spectrometer,UVCS)的觀(guān)測(cè)首次證實(shí)了CME(Coronal Mass Ejection)/耀斑電流片的存在[9–10],Raymond等人注意到1998年3月23日爆發(fā)事件中磁重聯(lián)電流片的蹤跡[11].Ciaravella等[12]之后詳細(xì)分析了該事件,確認(rèn)了該狹窄高溫結(jié)構(gòu)就是雙帶耀斑和CME間的磁重聯(lián)電流片.這是CME/耀斑電流片第1次在觀(guān)測(cè)中被證實(shí).然而CSHKP模型只是2維的,雖然它能夠解釋雙帶耀斑的一些特性,但是如何擴(kuò)展到3維一直是一個(gè)前沿課題[13].其中一個(gè)研究方向是3維S形結(jié)構(gòu)和磁繩的爆發(fā)[14–15],對(duì)這些3維S形結(jié)構(gòu)和磁繩爆發(fā)的模擬和卡通演示能夠解釋耀斑帶上的剪切(unshearing)過(guò)程.另外一個(gè)擴(kuò)展的方向是D′emoulin等[16]所發(fā)展的磁準(zhǔn)分界面(Quasi-Separatrix Layer,QSL).在磁準(zhǔn)分界面中,理想磁流體力學(xué)條件不再適用,強(qiáng)電流在QSL中得以發(fā)展[17],由此,QSL和電流片有著類(lèi)似的動(dòng)力學(xué)行為,并在耀斑帶上得到體現(xiàn)[18].因此,仔細(xì)分析耀斑帶和電流的關(guān)系對(duì)于研究耀斑中的3維磁重聯(lián)過(guò)程具有重要的意義.

長(zhǎng)期的研究表明,耀斑前光球磁場(chǎng)的剪切意味著存在電流,可儲(chǔ)存超過(guò)勢(shì)場(chǎng)能量的自由能.Lin等[19]的研究表明在最強(qiáng)耀斑核點(diǎn)位置的垂直方向上存在明顯的磁剪切,電流通過(guò)剪切橫向磁場(chǎng)中存儲(chǔ)的能量來(lái)維持,并且釋放的能量與存儲(chǔ)的能量成比例.Leka等[20]通過(guò)對(duì)1989年10月活動(dòng)區(qū)AR5747中3個(gè)耀斑的分析,推測(cè)大部分能量釋放是由于兩個(gè)雙極之間的相互作用而發(fā)生的,這兩個(gè)雙極與他們觀(guān)察到的兩個(gè)垂直光球電流系統(tǒng)相關(guān).Sharykin等[21]發(fā)現(xiàn)在耀斑爆發(fā)之前,電流增強(qiáng)并伴有較高的磁通量變化率.除此之外,根據(jù)矢量磁圖的測(cè)量,還表明了耀斑的主要變化發(fā)生在水平磁場(chǎng)中,水平磁場(chǎng)傾向平行于中性線(xiàn)增加,即沿中性線(xiàn)的磁剪切增加[22–23],同時(shí)在中性線(xiàn)附近的電流密度會(huì)突然發(fā)生變化[24].在極性反轉(zhuǎn)線(xiàn)中,磁場(chǎng)具有非常大的梯度并且水平磁場(chǎng)被高度剪切,而由于磁力線(xiàn)呈緊繃狀態(tài)的磁場(chǎng)中含有大量的自由能,所以在PIL(Polarity Inversion Line)附近往往會(huì)出現(xiàn)大量的耀斑[25].這些研究均支持了活動(dòng)區(qū)電流與耀斑的高度相關(guān)性.

最新的進(jìn)展來(lái)自Janvier等[26]利用HMI(Helioseismic and Magnetic Imager)磁圖所得到的結(jié)果,他們發(fā)現(xiàn),在耀斑脈沖相期間,J形電流帶的直線(xiàn)部分和彎曲的鉤形部分電流密度有所增加.同時(shí),Janvier等[27]分析了SDO(Solar Dynamics Observatory)/AIA(Atmospheric Imaging Assembly)和HMI在2011年2月15日X級(jí)耀斑期間的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),耀斑帶的位置和形狀類(lèi)似于強(qiáng)烈的光球電流帶.這些電流帶是與高電流密度位置相關(guān)聯(lián)的細(xì)長(zhǎng)形結(jié)構(gòu),這些結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用SDO/HMI測(cè)量的光球矢量磁圖計(jì)算出來(lái).研究結(jié)果表明,在耀斑演變過(guò)程中,耀斑帶的形狀變化可以與電流帶的形狀相關(guān)聯(lián),他們的觀(guān)測(cè)支持了3維的QSL重聯(lián)模型.然而,這一方面的觀(guān)測(cè)支持需要對(duì)更多事例進(jìn)行仔細(xì)的分析研究.另外,電流的計(jì)算牽涉到多個(gè)方面,除了橫場(chǎng)的方向確定依賴(lài)于不同的模型之外,通常的微分算法帶來(lái)的隨機(jī)噪聲很大,而積分形式的算法可有效降低計(jì)算所帶來(lái)的噪聲,從而增加了結(jié)果的可信度.因此,在這篇論文中,我們采用積分形式的算法計(jì)算活動(dòng)區(qū)AR12673內(nèi)的電流,然后應(yīng)用SDO/AIA觀(guān)測(cè)的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)我們推測(cè)的合理性.

2 觀(guān)測(cè)和方法

2.1 觀(guān)測(cè)儀器

為了獲得該活動(dòng)區(qū)的演化特征并探索耀斑的爆發(fā)機(jī)制,我們收集了SDO在該耀斑爆發(fā)期間觀(guān)測(cè)的高分辨率數(shù)據(jù).SDO/AIA可在10個(gè)波段對(duì)太陽(yáng)表面及多層大氣進(jìn)行高分辨率觀(guān)測(cè),其中包括7個(gè)極紫外波段(304、335、94、131、193、171、211),兩個(gè)紫外波段(1700、1600)和一個(gè)可見(jiàn)光波段(4500),Lemen等[28]的文章中詳細(xì)介紹了這些波段各自所對(duì)應(yīng)的主要離子、觀(guān)測(cè)區(qū)域、響應(yīng)溫度,這些波段的觀(guān)測(cè)范圍覆蓋了從太陽(yáng)光球?qū)拥教?yáng)日冕的各個(gè)大氣層.在時(shí)間分辨率上,EUV(Extreme Ultraviolet)波段為12 s/幀,兩個(gè)可見(jiàn)光波段為24 s/幀,空間分辨率均為24 s/幀.本文主要選取了SDO/AIA在1700,304,335,94這4個(gè)波段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究,其中1700主要觀(guān)測(cè)區(qū)域?yàn)闇囟葮O小區(qū)、光球?qū)?304主要觀(guān)測(cè)區(qū)域?yàn)樯驅(qū)?、過(guò)渡區(qū),335主要觀(guān)測(cè)區(qū)域?yàn)榛顒?dòng)區(qū)日冕,94主要觀(guān)測(cè)區(qū)域?yàn)橐呷彰?這些觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)生動(dòng)展示了耀斑爆發(fā)期間活動(dòng)區(qū)內(nèi)不同太陽(yáng)大氣高度層的演化過(guò)程和精細(xì)結(jié)構(gòu).

為了探索耀斑爆發(fā)的可能機(jī)制,我們也收集了SDO/HMI測(cè)量到的矢量磁場(chǎng)數(shù)據(jù),其觀(guān)測(cè)的空間分辨率為0.5′′/像素,時(shí)間分辨率高達(dá)45 s/幀.HMI主要使用FeI 6173的吸收線(xiàn)來(lái)測(cè)量太陽(yáng)光球?qū)拥亩嗥绽账俣?、連續(xù)譜強(qiáng)度、視向磁圖以及矢量磁場(chǎng)等信息.獲得矢量磁場(chǎng)的具體過(guò)程如下: HMI依次在FeI 6173吸收線(xiàn)附近±172.5 m范圍內(nèi)的6個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)上進(jìn)行StokesIQUV采樣,從而得到6組Stokes參數(shù),利用這6組參數(shù)可以擬合出粗略的Stokes輪廓,最后再經(jīng)過(guò)反演得出矢量磁場(chǎng)[29].I、Q、U、V為矢量磁場(chǎng)的Stokes矢量的分量,I是總強(qiáng)度,Q和U是線(xiàn)偏振強(qiáng)度,V是圓偏振強(qiáng)度.活動(dòng)區(qū)的矢量磁圖是應(yīng)用矢量磁場(chǎng)的快速反演技術(shù)VFISV(Very Fast Inversion of the Stokes Vector)獲得的,矢量磁圖的時(shí)間分辨率為12 min/幀.VFISV技術(shù)是基于偏振輻射轉(zhuǎn)移方程分析來(lái)自太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)的偏振光譜來(lái)測(cè)量矢量磁場(chǎng)的.眾所周知,在偏振輻射轉(zhuǎn)移方程中求解矢量磁場(chǎng)的方位角存在著180?不確定性問(wèn)題,因?yàn)槲站仃嚨奈障禂?shù)是方位角2倍的函數(shù),這就導(dǎo)致了方位角相反的磁場(chǎng)產(chǎn)生的偏振光譜是相同的,這種方位角180?不確定性問(wèn)題長(zhǎng)期困擾著矢量磁場(chǎng)的測(cè)量工作,給矢量磁場(chǎng)測(cè)量工作增加了相當(dāng)?shù)碾y度.經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,勢(shì)場(chǎng)校準(zhǔn)法[30–31],無(wú)力場(chǎng)近似法[32–34],最小能量法[35–36]等解決方位角180?不確定性問(wèn)題的方法先后被提出并獲得完善,從而使得方位角180?不確定性問(wèn)題獲得很好的解決.SDO團(tuán)隊(duì)在利用SDO/HMI測(cè)量的偏振信號(hào)反演矢量磁場(chǎng)的過(guò)程中利用能量最小法對(duì)矢量磁圖進(jìn)行了預(yù)處理,很好地解決了矢量磁圖中的方位角180?不確定性問(wèn)題,人們可以直接利用這些矢量磁圖來(lái)開(kāi)展相關(guān)的研究工作.

2.2 計(jì)算方法

測(cè)量太陽(yáng)大氣,特別是太陽(yáng)高層大氣中的電流密度分布特征一直是太陽(yáng)物理學(xué)中的難題.目前空間觀(guān)測(cè)的技術(shù)和方法還無(wú)法直接測(cè)量到活動(dòng)區(qū)內(nèi)的電流分布特征,但是隨著矢量磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展,人們可以通過(guò)測(cè)量到的光球?qū)邮噶看艌?chǎng)分布圖計(jì)算出光球?qū)右曄螂娏髅芏萰z的分布,z為視線(xiàn)方向.通常,在利用來(lái)自太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)內(nèi)的偏振信號(hào)測(cè)量到活動(dòng)區(qū)矢量磁圖后,人們可以利用Ampere定律的微分形式,

方便地計(jì)算出活動(dòng)區(qū)內(nèi)的視向電流密度分布圖,μ0為真空磁導(dǎo)率.在實(shí)際的電流密度計(jì)算中,由于矢量磁圖的數(shù)據(jù)都是離散的,人們應(yīng)用的是該公式的差分形式

來(lái)計(jì)算視向電流密度.其中?By=By(x+?x,y)?By(x,y)是觀(guān)測(cè)的矢量磁圖在x方向兩個(gè)坐標(biāo)分別為x和x+?x的相鄰測(cè)量點(diǎn)上磁場(chǎng)分量By的增加量,?Bx=Bx(x,y+?y)?Bx(x,y)是觀(guān)測(cè)的矢量磁圖在y方向兩個(gè)坐標(biāo)分別為y和y+?y的相鄰測(cè)量點(diǎn)上磁場(chǎng)分量Bx的增加量.從該差分公式中很容易看出,隨著空間分辨率的提高,也就是?x和?y越小,計(jì)算出的視向電流密度的結(jié)構(gòu)越精細(xì).然而實(shí)際獲得的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)中,不可避免會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)噪聲引起的誤差矢量即實(shí)測(cè)磁場(chǎng)為

其中真實(shí)的視向電流密度jz,R會(huì)隨著分辨率的提高而得到更精細(xì)的結(jié)構(gòu),但是隨機(jī)噪聲引起的誤差電流密度

在隨機(jī)噪聲δBx和δBy一定時(shí),會(huì)隨著?x和?y的減小而急劇增大,并最終將視向電流密度的真實(shí)值jz,R完全淹沒(méi).為了解決這個(gè)難題,我們采取安培定律的積分形式

3 結(jié)果

2017年9月出現(xiàn)在太陽(yáng)表面的活動(dòng)區(qū)AR12673是一個(gè)極為活躍的活動(dòng)區(qū),該活動(dòng)區(qū)自浮現(xiàn)到太陽(yáng)表面就迅速演化成一個(gè)具有βγδ磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜活動(dòng)區(qū)[38].連續(xù)的觀(guān)測(cè)顯示該活動(dòng)區(qū)開(kāi)始于2017年8月31日出現(xiàn)在日面東南方向的一個(gè)小氣孔(pole),該氣孔在浮現(xiàn)后的3 d內(nèi)就迅速演化成一個(gè)極為復(fù)雜的多極黑子.隨著該活動(dòng)區(qū)的演化,不斷有耀斑在該活動(dòng)區(qū)內(nèi)爆發(fā),其中爆發(fā)的X級(jí)的強(qiáng)耀斑就有4個(gè),分別為2017年9月6日爆發(fā)的X2.2級(jí)和X9.3級(jí)耀斑、2017年9月7日的X1.3級(jí)耀斑、2017年9月10日的X8.2級(jí)耀斑.這一系列的強(qiáng)耀斑引起了人們的廣泛關(guān)注,由于活動(dòng)區(qū)的演化時(shí)期剛好與中國(guó)的傳統(tǒng)節(jié)日中元節(jié)重合,因此這一事件也被命名為“中元節(jié)事件”.其中2017年9月6日爆發(fā)的兩個(gè)X級(jí)耀斑在強(qiáng)度上存在較大的差異,爆發(fā)的時(shí)間間隔約為3 h,但是二者爆發(fā)的位置和演化過(guò)程均具有相似性.X2.2級(jí)耀斑的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,沒(méi)有出現(xiàn)非常明顯的雙帶結(jié)構(gòu),而X9.3級(jí)的耀斑由于能量釋放充分,耀斑發(fā)展比較完整,在可見(jiàn)光波段觀(guān)測(cè)的圖像中形成了一個(gè)典型的雙帶耀斑.這兩個(gè)耀斑產(chǎn)生了非常強(qiáng)的X射線(xiàn)流.圖1給出的是2017年9月6日空間飛行器GOES(Geostationary Operational Environmental Satellite)測(cè)量到的X射線(xiàn)流量輪廓圖[38],從圖中我們可以看出,在9:00 UT和12:00 UT左右X射線(xiàn)流量出現(xiàn)了猛烈的增強(qiáng),這兩次增強(qiáng)現(xiàn)象分別對(duì)應(yīng)著這兩個(gè)耀斑.在本文中我們著重研究該X9.3級(jí)耀斑的形態(tài)演化特征.

圖1 2017年9月6日00:00 UT到24:00 UT的空間飛行器GOES測(cè)量到的X射線(xiàn)流量輪廓圖,黑線(xiàn)表示1.0–8.0 的輪廓,藍(lán)線(xiàn)表示0.5–4.0 的輪廓.圖片摘自Yan等[38].Fig.1 X-ray flux profiles measured by the space vehicle GOES from 00:00 to 24:00 UT on September 6,2017,the black line represents the outline of 1.0–8.0 ,the blue line represents the outline of 0.5–4.0 .Taken from Yan et al.[38].

在耀斑爆發(fā)期間,空間望遠(yuǎn)鏡SDO/AIA對(duì)該活動(dòng)區(qū)進(jìn)行了連續(xù)的高分辨率觀(guān)測(cè),獲得了一份完整的數(shù)據(jù).令人遺憾的是,由于該耀斑釋放的能量非常強(qiáng),結(jié)構(gòu)非常明亮,從而導(dǎo)致了SDO/AIA的某些波段在觀(guān)測(cè)耀斑閃耀相時(shí)圖像出現(xiàn)了過(guò)度曝光,無(wú)法分辨出在閃耀相期間這些波段的形態(tài)結(jié)構(gòu).因此,在我們的研究工作中排除了那些曝光過(guò)度的圖像,選取能夠代表不同高度太陽(yáng)大氣層的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)研究耀斑的形態(tài)結(jié)構(gòu)和演化特征.這些數(shù)據(jù)分別由形成于光球?qū)拥淖V線(xiàn)1700、形成于色球?qū)蛹斑^(guò)渡區(qū)的譜線(xiàn)335以及兩條形成于日冕層的譜線(xiàn)304和94觀(guān)測(cè)獲得.圖2(a)和2(b)分別是SDO/AIA在1700波段觀(guān)測(cè)到的兩個(gè)不同時(shí)刻的活動(dòng)區(qū)圖像,圖2(a)顯示耀斑開(kāi)始增亮?xí)r刻(11:55:16 UT)的形態(tài),圖2(b)是耀斑進(jìn)入閃耀相階段的圖像.在這兩幅圖中我們可以看到兩塊清晰的黑子本影,圖中用粉紅色的“+”標(biāo)示出黑子本影的中心位置,兩個(gè)黑子本影中心的坐標(biāo)分別為(543,?248)和(562,?242).在黑子本影的東邊,出現(xiàn)的亮帶就是我們重點(diǎn)關(guān)注的耀斑帶.為了后面比較和分析的方便,我們用綠色的點(diǎn)線(xiàn)標(biāo)記出該亮帶的形狀,并且用一個(gè)黑色的長(zhǎng)方形邊框圈出耀斑帶的主要區(qū)域,如圖2(a)–(f)所示.結(jié)合其他波段的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn)該耀斑形成的亮帶在這些波段都具有相似的形態(tài)結(jié)構(gòu).圖2(c)給出了SDO/AIA 304波段觀(guān)測(cè)到的耀斑圖像,比較圖2(b)和(c)不難發(fā)現(xiàn),在1700波段和304波段觀(guān)測(cè)到的耀斑具有相似的雙帶結(jié)構(gòu).

圖2 活動(dòng)區(qū)AR12673的單色像圖,矢量磁圖,電流密度分布圖的橫縱坐標(biāo)刻度為圖像在日面上的坐標(biāo),單位為角秒.黑色長(zhǎng)方形框表示耀斑帶的主要區(qū)域,粉色的“+”表示兩個(gè)黑子本影的中心位置,綠色點(diǎn)線(xiàn)表示耀斑帶的輪廓,R-ribbon代表右側(cè)耀斑帶,L-ribbon代表左側(cè)耀斑帶,紅色實(shí)線(xiàn)NL(Neutral line)代表中性線(xiàn),p-ECS(electric current stripe)指正極電流帶,n-ECS指負(fù)極電流帶.圖(a)和(b)表示AIA1700 波段在2017年9月6日11:55:16 UT和12:04:28 UT觀(guān)測(cè)到的兩個(gè)不同時(shí)刻的活動(dòng)區(qū)單色像,圖(c)表示AIA304 波段在2017年9月6日12:04:08 UT觀(guān)測(cè)到的單色像,(d)和(e)表示SDO/HMI在2017年9月6日11:46:42 UT的視向磁圖和矢量磁圖,(d)左側(cè)顏色棒代表磁場(chǎng)的大小,(f)表示該活動(dòng)區(qū)在2017年9月6日11:46:42 UT的電流密度分布圖,(f)右側(cè)顏色棒代表視向電流密度.Fig.2 The horizontal and longitudinal coordinates of the monochromatic image,vector magnetic map and current density distribution map of the active region AR12673 are calibrated as the coordinates of the image on the solar surface in angle seconds.The black rectangular box represents the main area of the bright spot,the pink “+” indicates the central position of the two sunspot shadow,the green dotted line represents the outline of the bright spot,the R-ribbon represents the right spot,and the L-ribbon represents the left flares.The red solid line NL(Neutral line)represents the neutral line,the p-ECS(electric current stripe)indicates the positive current band,and the n-ECS refers to the negative current band.Panels(a)and(b)show the monochromatic images of the active regions observed at two different times of 11:55:16 UT and 12:04:28 UT in the AIA1700 band on September 6,2017.Panel(c)shows the monochromatic image observed at 12:04:08 UT on September 6,2017 in the AIA304 band,(d)and(e)indicate the apparent and vector magnetic maps of SDO/HMI at 11:46:42 UT on September 6,2017.The color rod on the left side of(d)represents the size of the magnetic field.(f)says the active area has a current distribution map of 11:46:42 UT on September 6,2017.The color rod on the right side of(f)represents the apparent current density.

耀斑為什么會(huì)出現(xiàn)在黑子本影的東邊,并且具有雙帶結(jié)構(gòu)呢? 通常認(rèn)為這很可能與活動(dòng)區(qū)的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系.圖2(d)顯示的是SDO/HMI在耀斑爆發(fā)前約10 min(11:46:42 UT)的視向磁圖.從該圖可以看出,磁場(chǎng)分布要比黑子的形態(tài)簡(jiǎn)單,整個(gè)磁圖被一條S形的磁中性線(xiàn)分為了兩部分,磁中性線(xiàn)的東邊為負(fù)極性的磁場(chǎng)區(qū),西邊為正極性磁場(chǎng)區(qū),主要黑子的本影位于磁中性線(xiàn)西邊的正極性磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi).對(duì)比圖2(a)–(c)和2(d),很容易發(fā)現(xiàn)耀斑雙帶中右側(cè)帶與磁中性線(xiàn)的位置幾乎重合,只是在上部區(qū)域稍有偏差,耀斑帶的長(zhǎng)度比中性線(xiàn)的要短一些.這種對(duì)應(yīng)關(guān)系意味著耀斑是在磁中性線(xiàn)的位置爆發(fā)的,根據(jù)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系可以得到一種預(yù)報(bào)耀斑爆發(fā)位置的可能方法,即尋找磁中性線(xiàn)來(lái)確定耀斑的位置.然而,我們知道視向磁圖是一種觀(guān)測(cè)效應(yīng),選定不同的觀(guān)測(cè)方向,視向磁圖將可能發(fā)生變化,磁中性線(xiàn)的位置也將發(fā)生根本的改變,那么磁中性線(xiàn)上到底存在怎樣的物理結(jié)構(gòu)可以決定耀斑的爆發(fā)呢? 為了解決這個(gè)疑問(wèn),應(yīng)用SDO/HMI測(cè)量出的矢量磁圖,我們計(jì)算出了活動(dòng)區(qū)內(nèi)的視向電流密度分布圖.圖2(e)就是SDO/HMI測(cè)量到的矢量磁圖,其中灰度圖與圖2(d)完全相同,均表示視向磁場(chǎng)的大小.而疊加在灰度圖上的箭頭表示橫向磁場(chǎng)的強(qiáng)度,箭頭的方向表示磁場(chǎng)的方向,箭頭的長(zhǎng)度表示磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小.為了便于看清楚矢量磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu),圖中正極性區(qū)的橫向磁場(chǎng)用藍(lán)色箭頭標(biāo)出,負(fù)極性的橫向磁場(chǎng)用紅色箭頭標(biāo)出.基于圖2(e)中的矢量磁場(chǎng)分布圖,我們應(yīng)用在第2節(jié)介紹的方法,計(jì)算出了活動(dòng)區(qū)內(nèi)的視向電流密度分布圖,結(jié)果如圖2(f)所示.從圖2(f)可以看出,相對(duì)于活動(dòng)區(qū)的形態(tài)以及矢量磁圖的分布,視向電流的結(jié)構(gòu)要更加簡(jiǎn)單.在圖2(f)中,除了在長(zhǎng)方形框定的區(qū)域內(nèi)存在一條幾乎與中性線(xiàn)重疊的S形電流帶外,還有一條位于該電流帶東邊的長(zhǎng)條形電流帶.除了這一對(duì)共軛電流帶外,其他區(qū)域電流密度非常小,幾乎沒(méi)有超過(guò)0.1 A/m2.為了更進(jìn)一步了解耀斑帶的變化特征,我們應(yīng)用SDO/AIA在1700、304、335、944個(gè)波段觀(guān)測(cè)的圖像來(lái)進(jìn)一步研究該活動(dòng)區(qū).

圖3就是該耀斑爆發(fā)期間SDO/AIA在4個(gè)波段觀(guān)測(cè)到的圖像,該圖由4列6行共24幅圖組成,其中由左到右分別對(duì)應(yīng)SDO/AIA 1700、304、335和944個(gè)波段,每列自上而下分別表示6個(gè)不同的觀(guān)測(cè)時(shí)刻,同時(shí)每一行4幅圖像的觀(guān)測(cè)時(shí)間幾乎相同.從第1列1700波段的圖3(a1)–(a6)我們發(fā)現(xiàn),在11:54:52 UT的時(shí)刻,耀斑首先在右側(cè)電流帶的上半段轉(zhuǎn)折處產(chǎn)生幾個(gè)亮點(diǎn),同時(shí)在左側(cè)電流帶上也有一個(gè)小亮斑出現(xiàn),這些亮斑迅速增大并沿著電流帶的兩端迅速延伸.約5 min后的11:58:28 UT時(shí)刻耀斑迅速增亮,但是圖3(a2)和(a3)存在曝光過(guò)度的現(xiàn)象.在12:02:28 UT該耀斑達(dá)到最亮,耀斑進(jìn)入閃耀相,隨后該耀斑進(jìn)入衰退期,亮度逐漸下降,在圖3(a4)和圖3(a5)中,可以清晰地看見(jiàn)兩條耀斑帶.從圖3(a6)的時(shí)刻12:13:16 UT之后耀斑變暗并最終消失.在整個(gè)演化過(guò)程中,耀斑帶的形狀幾乎一直與這一對(duì)共軛電流帶的形狀一致.在第2列圖3(b1)–(b3)的過(guò)程中,可以看出耀斑首先在右側(cè)電流帶的中上段形成一條S形的耀斑帶,幾乎同時(shí)在左側(cè)電流帶對(duì)應(yīng)的位置也快速形成了耀斑,耀斑迅速發(fā)展最后形成一對(duì)非常明亮的耀斑雙帶結(jié)構(gòu).在圖3(b4)–(b6)的演化中雙帶耀斑形態(tài)盡管有些變化,但是總體保持與共軛電流帶相似的形狀.同時(shí)我們也可以從圖3(b1)–(b6)看出304波段觀(guān)測(cè)除了兩條明亮的耀斑帶外,在兩條耀斑帶之間還有纖維狀的結(jié)構(gòu)連接,這可能是因?yàn)樵谶^(guò)渡區(qū)內(nèi)存在連接兩個(gè)電流帶的磁力線(xiàn)約束等離子體發(fā)亮形成的.比較圖3第1列(a1)–(a6)和第2列的(b1)–(b6),不難發(fā)現(xiàn)耀斑的形態(tài)演化具有相似的結(jié)構(gòu).這種相似性應(yīng)該是由于譜線(xiàn)1700和譜線(xiàn)304的形成高度比較接近.在圖3(c1)–(c6)和圖3(d1)–(d6)分別顯示了335和94波段觀(guān)測(cè)到的耀斑演化過(guò)程,335和94兩個(gè)譜線(xiàn)主要形成于高溫的日冕層,與光球?qū)雍蜕驅(qū)拥囊咝螒B(tài)不同的是,日冕層的耀斑并沒(méi)有形成兩條分離的耀斑帶,而是由寬的亮帶覆蓋在這兩條共軛的電流帶上,這可能是由于在耀斑爆發(fā)期間凍結(jié)冕環(huán)內(nèi)的等離子體增亮,從而使連接兩個(gè)電流帶之間形成了亮環(huán).綜合以上4個(gè)不同波段的演化圖,我們可以發(fā)現(xiàn),雖然這4個(gè)波段觀(guān)測(cè)的范圍代表了不同太陽(yáng)大氣高度,但是耀斑都是從幾個(gè)亮斑逐漸發(fā)展為明顯的耀斑帶,耀斑帶的形成幾乎是沿著這一對(duì)共軛電流帶進(jìn)行的,而且最后形成的耀斑帶和之前計(jì)算出的電流帶形狀和位置極其相似,這說(shuō)明了在太陽(yáng)不同高度中均發(fā)生了與電流帶相關(guān)的加熱增亮現(xiàn)象.

圖3 2017年9月6日的X9.3級(jí)耀斑在SDO/AIA 4個(gè)不同波段觀(guān)測(cè)的演化圖.第1列(a1)–(a6),第2列(b1)–(b6),第3列(c1)–(c6),第4列(d1)–(d6)分別表示SDO/AIA 1700 、304 、335 、94 在6個(gè)不同時(shí)刻的觀(guān)測(cè)圖Fig.3 The evolution maps of the X9.3 class flares observed in four different bands of SDO/AIA on September 6,2017.The first column(a1)–(a6),the second column(b1)–(b6),the third column(c1)–(c6),and the fourth column(d1)–(d6)respectively represent the SDO/AIA 1700 ,304 ,335 ,and 94 observations at six different times

圖4 活動(dòng)區(qū)AR12673在2017年9月6日全天的電流演化圖,圖(a)右側(cè)顏色棒代表視向電流密度.左側(cè)綠色表示正極性電流帶,右側(cè)藍(lán)色表示負(fù)極性電流帶.Fig.4 Current evolution diagrams of active area AR12673 all day on September 6,2017.The right color bar in panel(a)represents the apparent current density.The left green indicates the positive polar current band,and the right blue indicates the negative polar current band.

在圖5中,實(shí)線(xiàn)表示活動(dòng)區(qū)內(nèi)正電流的總強(qiáng)度,虛線(xiàn)表示活動(dòng)區(qū)內(nèi)負(fù)電流的總強(qiáng)度.由于SDO在9月6日06:00:00—08:36:00 UT這一時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù),因此電流變化曲線(xiàn)在相對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)也出現(xiàn)了空缺.從圖5中可以看出,在9月6日的00:10:00—11:36:42 UT內(nèi),活動(dòng)區(qū)電流強(qiáng)度雖然出現(xiàn)一些起伏,但總體上在4.7×1013?4.85×1013A區(qū)域內(nèi)變化.在X9.3級(jí)耀斑爆發(fā)前的11:36:42 UT這一時(shí)刻,電流強(qiáng)度快速增加,從約4.75×1013A增加到5.05×1013A,這種增加強(qiáng)度顯然與X9.3級(jí)耀斑存在著緊密聯(lián)系.而電流快速增加的原因很可能是由于耀斑爆發(fā)引起活動(dòng)區(qū)內(nèi)的磁位形發(fā)生了劇烈改變,導(dǎo)致活動(dòng)區(qū)內(nèi)電流環(huán)路的電阻率顯著下降,進(jìn)而引起電流強(qiáng)度的顯著增加.當(dāng)然,這種電流快速增加的現(xiàn)象也可能是由于觀(guān)測(cè)效應(yīng)引起的.因?yàn)樵趶?qiáng)耀斑爆發(fā)時(shí),耀斑帶上的光強(qiáng)顯著增加,從而導(dǎo)致觀(guān)測(cè)儀器出現(xiàn)曝光過(guò)度的現(xiàn)象,以致CCD采集的活動(dòng)區(qū)演化數(shù)據(jù)出現(xiàn)信號(hào)失真現(xiàn)象.活動(dòng)區(qū)內(nèi)的矢量磁場(chǎng)測(cè)量同樣依賴(lài)來(lái)自活動(dòng)區(qū)的偏振光信號(hào),而由于耀斑的強(qiáng)光導(dǎo)致矢量磁場(chǎng)測(cè)量的失真現(xiàn)象同樣不可避免,從而在此期間的矢量磁場(chǎng)也不可信,相應(yīng)地,以此矢量磁場(chǎng)為基礎(chǔ)計(jì)算出的電流強(qiáng)度同樣不可信.但是我們可以比較耀斑爆發(fā)前和耀斑爆發(fā)后的電流強(qiáng)度來(lái)分析電流強(qiáng)度的變化特征.從圖5可以看出耀斑爆發(fā)前兩個(gè)時(shí)刻11:00:00:42 UT和11:24:00 UT的電流強(qiáng)度分別約為4.78×1013A和4.77×1013A,這表明耀斑爆發(fā)前的電流強(qiáng)度穩(wěn)定在4.7×1013?4.8×1013A之間.同樣從圖5中可以看出,在耀斑爆發(fā)后的12:00:00—13:24:00 UT這段時(shí)間內(nèi),電流強(qiáng)度基本維持在約5.0×1013A的位置.這些表明了電流強(qiáng)度確實(shí)在耀斑爆發(fā)前后出現(xiàn)了明顯的增加,而且電流強(qiáng)度在耀斑爆發(fā)后穩(wěn)定存在了一段時(shí)間,這種穩(wěn)定也表明由耀斑爆發(fā)造成電流環(huán)路形態(tài)變化的情況可能不會(huì)在短期時(shí)間內(nèi)改變.

圖5 活動(dòng)區(qū)2017年9月6日00:00—24:00 UT的積分電流強(qiáng)度變化圖.橫坐標(biāo)表示時(shí)間,縱坐標(biāo)表示電流強(qiáng)度值.虛線(xiàn)表示負(fù)極電流強(qiáng)度,實(shí)線(xiàn)表示正極電流強(qiáng)度.Fig.5 Diagram of integral current intensity variation from 00:00 to 24:00 UT in active area on September 6,2017.The transverse coordinate represents the time,and the longitudinal coordinate represents the current intensity value.The dotted line represents the negative current intensity,and the solid line represents the positive current intensity.

4 討論和結(jié)論

在本論文中,我們應(yīng)用SDO/HMI的矢量磁圖計(jì)算了活動(dòng)區(qū)AR12673內(nèi)的電流密度分布圖及電流強(qiáng)度圖,所用的方法是積分形式的算法,這一方法有效降低了計(jì)算所帶來(lái)的噪聲,從而增加了結(jié)果的可信度.我們得到的重要結(jié)果可歸納如下: 2017年9月6日爆發(fā)的X9.3級(jí)耀斑具有明顯的雙帶結(jié)構(gòu),我們應(yīng)用SDO/HMI測(cè)量到的矢量磁圖計(jì)算出了活動(dòng)區(qū)內(nèi)的電流密度分布圖.在該分布圖中存在一對(duì)非常明顯的方向相反的電流帶,該電流帶位于兩個(gè)主黑子本影的東側(cè).其中方向?yàn)樨?fù)(向下)的S形電流帶幾乎與磁中性線(xiàn)重合,而方向?yàn)檎?向上)的電流帶則近似與方向?yàn)樨?fù)(向下)的S形電流帶平行.我們可稱(chēng)它們?yōu)橐粚?duì)共軛電流帶.這一對(duì)共軛電流帶在耀斑發(fā)生之前、期間以及之后一直存在.該耀斑的兩個(gè)亮帶的位置幾乎剛好與兩個(gè)電流帶重疊,它們之間的形狀也極其相似; 尤其重要的是,耀斑初相的增亮就發(fā)生在電流帶之上.我們的觀(guān)測(cè)證實(shí)了Janvier等人的結(jié)果[26],但是,相比于他們的結(jié)果,我們所得到的電流分布更加清晰.這一研究結(jié)果為磁準(zhǔn)分界面3維重聯(lián)模型提供了有力的證據(jù).高溫的EUV成像觀(guān)測(cè)顯示,沿著耀斑帶分布的耀斑后環(huán)連接了這一對(duì)共軛電流帶.由于在日冕之中是無(wú)力場(chǎng)主導(dǎo),以此可以斷定,這些耀斑環(huán)其實(shí)也是電流的回路,即電流沿著這些耀斑后環(huán)從一側(cè)流向另外一側(cè).電流的演化與輻射的關(guān)系將是檢驗(yàn)QSL 3維重聯(lián)模型的一個(gè)重要依據(jù),這是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題,我們需要高空間分辨率和高時(shí)間分辨率的矢量磁圖來(lái)研究這一問(wèn)題.

另一方面,2017年9月6日全天的電流總強(qiáng)度演化曲線(xiàn)表明,電流強(qiáng)度在X9.3級(jí)強(qiáng)耀斑爆發(fā)期間出現(xiàn)快速增加的現(xiàn)象,這種現(xiàn)象持續(xù)了幾個(gè)小時(shí).這種耀斑爆發(fā)期間出現(xiàn)電流增強(qiáng)的現(xiàn)象再次給QSL 3維重聯(lián)模型提供了支持.但一般認(rèn)為,耀斑過(guò)后由于磁能的釋放,磁場(chǎng)的非勢(shì)性降低,這意味著電流的減小,這一現(xiàn)象與有些耀斑過(guò)后磁場(chǎng)剪切的增加是一致的.此外,在耀斑開(kāi)始階段的電流強(qiáng)度的快速增加也是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的課題,這一現(xiàn)象可能由某種不穩(wěn)定性(譬如: 電阻的突然降低)引起,也有可能是某種快速的能量積累過(guò)程.如果是后者,光球上相關(guān)區(qū)域內(nèi)的等離子體快速運(yùn)動(dòng)過(guò)程探測(cè)顯得尤為重要,這將是我們未來(lái)的研究方向.與此同時(shí),在QSL 3維重聯(lián)模型中磁繩爆發(fā)與電流的關(guān)系也是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的課題,問(wèn)題集中在磁繩與電流的關(guān)系.以上所有這些,均對(duì)理解耀斑過(guò)程中的3維磁場(chǎng)重聯(lián)過(guò)程有著關(guān)鍵的作用.