II 型射電暴射電增強(qiáng)與太陽高能粒子事件關(guān)系的統(tǒng)計*

周坤論 丁留貫2)? 錢天麒 朱聰 王智偉4) 封莉

1) (南京信息工程大學(xué)空間天氣研究所, 南京 210044)

2) (南京信息工程大學(xué)濱江學(xué)院, 南京 210044)

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

4) (中國極地研究中心, 上海 200000)

1 引 言

日冕物質(zhì)拋射(coronal mass ejection, CME)是太陽大尺度爆發(fā)活動的重要形式, 能將大量的日冕物質(zhì)和磁通量快速拋射到行星際太陽風(fēng)中, 它們在太陽風(fēng)中稱為行星際日冕物質(zhì)拋射(interplanetary coronal mass ejection, ICME). 當(dāng)CME 在日冕中的運動速度超過局地阿爾芬(Alfvén)速度時, 就會在CME 的頂部或者側(cè)翼產(chǎn)生激波[1]. 此時, 在射電波段出現(xiàn)劇烈且短促的流量增強(qiáng)現(xiàn)象叫太陽射電暴, 根據(jù)其頻譜形態(tài)可分為I, II, III, IV, V 型射電暴及伴隨的精細(xì)結(jié)構(gòu), 而II 型射電暴通常作為日冕激波的最佳示蹤器.

CME 爆發(fā)驅(qū)動激波加速粒子能產(chǎn)生太陽高能粒子(solar energetic particle, SEP)事件. 普遍認(rèn)為SEP 有兩種不同的加速源: 耀斑加速[2]和CME 激波加速[3,4], 分別稱之為脈沖型SEP 事件和緩變型SEP 事件. 也有研究認(rèn)為耀斑加速和CME 激波加速在部分大SEP 事件中都起作用, 并稱這類事件為混合型事件[5,6], 且這類混合型事件往往具有脈沖型事件的觀測特點[7,8]. Kahler 的研究表明, 緩變型SEP 事件的能量粒子峰值通量與CME 的投影速度呈較強(qiáng)的正相關(guān), 但同一速度區(qū)間CME 產(chǎn)生的SEP 事件強(qiáng)度跨越幾個量級[2]. 早期部分研究認(rèn)為, 耀斑加速可能在緩變型SEP 事件的通量上升上占主導(dǎo)地位[8,9]. Le 等[10,11]近期的研究結(jié)果表明, CME 激波加速主要貢獻(xiàn)在低能量段, 而高能量段(如 > 30 MeV)主要由耀斑加速產(chǎn)生, 高能段的粒子強(qiáng)度與耀斑軟X 射線強(qiáng)度比CME 速度具有更高的相關(guān)性. Wu 和Qin[12]通過能量譜參數(shù)分析顯示, 地面水平增強(qiáng)(groud level enhancement, GLE)事件明顯可分為兩類: 激波加速和非明顯激波加速. 此后, Zhao 等[13,14]的研究也進(jìn)一步表明, 部分GLE 事件中GeV 量級的相對論高能粒子是由耀斑加速產(chǎn)生的. 耀斑加速的部分粒子可被CME 激波繼續(xù)加速[13]. Mason 等[15,16]提出CME 驅(qū)動的激波速度和種子粒子(seed population)可能是決定SEP 事件強(qiáng)度的兩個重要因素. 種子粒子可能來自耀斑或先前的CMEs[17?19].

除CME 速度外, CME 驅(qū)動激波的強(qiáng)弱是判斷能否產(chǎn)生SEP 事件的另一個重要因素. 研究顯示驅(qū)動激波的強(qiáng)弱并不僅僅與CME 速度有關(guān). 如Shen 等[20]的研究顯示, 慢速CME 可驅(qū)動較強(qiáng)激波并產(chǎn)生SEP 事件, 同時伴隨長時間II 型射電暴,而快速CME 僅能驅(qū)動較弱的激波且未能產(chǎn)生SEP 事件, 同時只伴隨較短時間II 型射電暴.Gopalswamy 等[21]的統(tǒng)計結(jié)果表明大部分伴隨跨越米波-百米波的II 型射電暴與SEP 事件相關(guān). 近年來, Winter 和Ledbetter[22]的統(tǒng)計結(jié)果表明, 大SEP 事件(峰值通量大于15 pfu)普遍伴隨十米-百米(deca-hectometric, DH)波段II 型射電暴, 進(jìn)一步也表明, II 型射電暴(激波強(qiáng)弱)特性可作為判斷CME 能否產(chǎn)生SEP 事件的重要標(biāo)志.

普遍認(rèn)為II 型射電暴射電增強(qiáng)主要由CMECME 相互作用產(chǎn)生, 但也不是所有的CMECME 相互作用都能產(chǎn)生II 型射電暴增強(qiáng).Gopalswamy 等[23]的研究表明, 快速CME 追趕慢速CME, 合并過程發(fā)生相互作用可導(dǎo)致II 型射電暴射電增強(qiáng); 在CME 相互作用過程中, II 型射電暴增強(qiáng)可作為富太陽高能粒子(SEP-rich)和貧太陽高能粒子(SEP-poor)的重要信號[17]. Ding 等[24]在研究CME 相互作用與SEP 事件關(guān)系時發(fā)現(xiàn),主CME 前沿追趕上先行CME 后沿的時間恰好與射電增強(qiáng)開始時間及SEP 近太陽附近起始釋放時間基本一致. 此后, Ding 等[25]的統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)一步顯示伴隨射電增強(qiáng)的CME 更容易產(chǎn)生SEP 事件.Al-Hamadani 等[26]的研究表明: 當(dāng)II 型射電暴形成高度明顯低于CME 前沿高度時, 射電增強(qiáng)成因可能是CME 與冕流相互作用; 而II 型射電暴形成高度與CME 前沿高度相當(dāng)時, 射電增強(qiáng)主要是CME 與相同或者相鄰源區(qū)的先行CME 或其殘留物質(zhì)發(fā)生相互作用引起的.

本文主要對2007 年至2015 年期間的82 個II 型射電暴的頻譜結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合, 結(jié)合有無SEP 以及II 型射電暴射電增強(qiáng)與否, 進(jìn)一步分析II 型射電暴(激波)與CME, SEP 相關(guān)參數(shù)的關(guān)聯(lián), 從而研究II 型射電暴及射電增強(qiáng)信號與SEP 事件的關(guān)聯(lián).

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文主要基于CDAW 數(shù)據(jù)庫Wind/WAVES DH II 型 射 電 暴 列 表①https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list/radio/waves_type2.html, 結(jié) 合 Learmonth,YNAO②http://secchirh.obspm.fr/index.php以及BIRS③http://www.astro.umd.edu/~white/gb/index.shtml#events等地面站的米波射電觀測與Wind/WAVES 和 STEREO/WAVES 的 DH 波段頻譜觀測圖像, 篩選出2007 年1 月至2015 年12 月82 個可清晰辨別出II 型射電頻譜形態(tài)結(jié)構(gòu)的射電暴事件. CME 觀測數(shù)據(jù)來源于SOHO/LASCO C2, C3[27], II 型射電暴事件對應(yīng)爆發(fā)活動伴隨的CME 參數(shù)均取自CDAW 數(shù)據(jù)庫, 耀斑等級、活動區(qū)位置信息取自CDAW, LMSAL①http://www.lmsal.com/solarsoft/latest_events_archive.html和SolarMonitor.org②https://solarmonitor.org.

太陽高能粒子數(shù)據(jù)主要采用能量為25—60 MeV的高能質(zhì)子通量數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)來源于SOHO/COSTEP EPHIN[28]和STEREO-A(B)/HET[29]. 此外, 本文采用參考文獻(xiàn)[25,30]中的方法和標(biāo)準(zhǔn), 以0.0114(cm2·s·sr·MeV)–1作為大SEP 事件的判斷標(biāo)準(zhǔn); 并取SOHO 與STEREO-A(B)中通量峰值最大值作為該事件的強(qiáng)度. 太陽高能粒子近太陽附近起始釋放時刻的估算采用速度離散分析方法(velocity dispersion analysis, VDA)[6,31?33]. 假設(shè)SEP 沿行星際磁力線無散射傳播, 則能量為E的粒子在近太陽附近的起始釋放時間trel可表示為

其中,to為SEP 在1 AU 處的爆發(fā)時間;L為粒子傳播路徑長度(使用文獻(xiàn)[5]假設(shè), 取L=1.2 AU);v(E) 為粒子傳播速度. 本文考慮粒子的相對論效應(yīng), 能量為E的粒子速度可估算為

其中,c為光速,為質(zhì)子的靜能量938.27 MeV.

2.2 處理方法

本文在判斷II 型射電暴有無明顯射電增強(qiáng)方面, 采用文獻(xiàn)[23,25]中的方法, 即對II 型射電暴頻譜進(jìn)行人工識別判斷有無明顯射電增強(qiáng), 并結(jié)合日冕觀測視頻, 判斷該事件對應(yīng)CME 有無相同或相鄰源區(qū)CME 爆發(fā), 以及射電增強(qiáng)時間內(nèi)二者有無相互作用. 本文判斷CME 相互作用主要依據(jù)兩個CME 在SOHO 和STEREO 觀測視界中投影傳播方向是否基本一致, 且CME 前沿高度-時間軌跡曲線是否有交叉, 即保證后一個快速CME 是否能追趕上前一個慢速CME. 基于Newkirk[34],Vr?nak[35]和SPM[36]三種日冕密度模型分別對米(M)波和DH 波II 型射電暴頻譜進(jìn)行擬合, 反演得到II 型射電暴對應(yīng)激波速度. 基于II 型射電輻射最大概率發(fā)生在激波前沿的假設(shè), 通過選擇適合的密度模型及密度倍數(shù), 確定與CME 速度最相符的激波速度[37?39]. 如有II 型射電暴事件在Wind/WAVES 和STEREO/WAVES 同時被觀測到, 則選取擬合速度與CME 速度最接近的那一個作為此事例的激波速度. 對射電增強(qiáng)區(qū)域擬合時, 選取該事件非增強(qiáng)區(qū)域擬合時所采用的日冕密度模型,并假設(shè)射電增強(qiáng)最大概率發(fā)生在激波前沿[40], 從而確定密度模型倍數(shù).

此外, 根據(jù)射電增強(qiáng)II 型射電暴對應(yīng)CME(稱為主CME, 記為CME2)的爆發(fā)時間、源區(qū)位置、耀斑爆發(fā)時間等, 篩選來自相同或者附近活動區(qū)的24 h 內(nèi)所有先行CME[41], 判斷可能與CME2 發(fā)生作用而引起II 型射電暴增強(qiáng)的先行CME(記為CME1)[26]. 本文假定射電增強(qiáng)主要起因于CME-CME 相互作用[23,42].

圖1 為II 型射電暴射電增強(qiáng)和無射電增強(qiáng)的典型事例. 圖1(a)為2013 年5 月22 日的II 型射電暴頻譜, 顯示II 型射電暴在持續(xù)時間內(nèi)射電頻譜有明顯增強(qiáng)現(xiàn)象(時間約為14:02—17:10, 頻率約為1.98—0.34 MHz, 高度約為11.4—38.1 Rs,CME2 與CME1 前沿軌跡相遇時間約為16:30, 見文獻(xiàn)[24]). 該事例基于Vr?nak 密度模型及頻率與日冕密度的關(guān)系, 分別采用4 倍和4.5 倍Vr?nak密度模型對事例中的頻譜非增強(qiáng)區(qū)和增強(qiáng)區(qū)進(jìn)行擬合. 圖1(c)為2012 年4 月15 日的II 型射電暴頻譜, II 型射電暴持續(xù)時間很短(時間約為02:37—02:53, 頻率約為6.6—3.0 MHz, 高度約為3.9—5.7 Rs). 該事件擬合時采用1 倍Vr?nak 密度模型, 且存在CME-CME 相互作用, CME2(前沿軌跡)追趕上CME1 的時間約為04:40, 但沒有出現(xiàn)射電增強(qiáng). 本文采用文獻(xiàn)[43]的方法, 假定在擬合高度內(nèi)激波速度為常數(shù)(即線性擬合). 圖1(a)和(c)中白色紫色虛線為II 型射電暴(非增強(qiáng)區(qū)域)和射電增強(qiáng)區(qū)域?qū)?yīng)的擬合結(jié)果. 圖1(b)和(d)為基于日冕密度模型擬合得到的激波高度-時間變化曲線, 黑色虛線和實線分別為CME1 和CME2 高度-時間線性擬合, 綠色和紫色實線分別為II 型射電暴非增強(qiáng)區(qū)和增強(qiáng)區(qū)的擬合結(jié)果. 由圖1 可以看出, 擬合的激波速度與CME 速度、射電增強(qiáng)時間和高度與CME 相互作用時間和高度等符合較好.Newkirk 密度模型不適用于圖1 中DH 波段低頻擬合; 若采用SPM 密度模型, 則CME 前沿高度-時間曲線與反演的激波高度-時間曲線發(fā)生交叉,或者激波高度明顯小于CME 前沿高度, 這與本文假設(shè)不符. 對于正常產(chǎn)生于CME 激波前端的大部分II 型射電暴事件而言[44], 擬合激波高度應(yīng)該約等于或稍高于CME 前沿高度較為合理. 而對于少部分產(chǎn)生于激波側(cè)翼的II 型射電暴[45?49]而言, 擬合的激波高度則整體比CME 前沿高度低, 且只能擬合得到較低的激波速度.

圖1 (a, c)有射電增強(qiáng)和無射電增強(qiáng)的II 型射電暴頻譜圖; (b, d) CME1, CME2 及擬合激波高度-時間變化圖Fig. 1. (a, c) Spectrum diagram of a type II radio burst with and without enhancement; (b, d) the height-time profile of CME1,CME2 and its shock.

3 統(tǒng)計結(jié)果

通常認(rèn)為II 型射電暴射電增強(qiáng)是由CMECME 相互作用引起的[17,25,42], 但并非所有CME相互作用都能產(chǎn)生射電增強(qiáng)現(xiàn)象. 為了探討射電增強(qiáng)事件和非射電增強(qiáng)事件之間的特征差異以及與SEP 事件之間的關(guān)聯(lián), 將82 個事件分為兩類: I)39 個II 型射電暴增強(qiáng)事件(Group I); II) 43 個無增強(qiáng)II 型射電暴事件(Group II). 其中, Group I 有30 個SEP 事 件, 9 個無SEP 事 件, Group II 有27 個SEP 事件, 16 個無SEP 事件. 下文分別對兩類事件的CME 速度、質(zhì)量、動能和耀斑等級進(jìn)行分析, 并比較不同組中SEP 事件差異以及與II 型射電暴, CME, 激波的關(guān)聯(lián)等.

3.1 CME, 耀斑, SEP 事件屬性

圖2 為所選樣本事件對應(yīng)的CME 的速度、質(zhì)量、動能和耀斑等級統(tǒng)計直方圖. 統(tǒng)計結(jié)果顯示,射電增強(qiáng)事件的CME 速度、質(zhì)量、動能和耀斑等級均值分別為1368 km/s, 1.6 × 1016gram, 2.0 ×1032erg 和M8.6, 而無射電增強(qiáng)事件的均值分別為895 km/s, 8.1 × 1015gram, 4.8 × 1031erg 和M5.3. 顯然, 伴隨射電增強(qiáng)的II 型射電暴事件對應(yīng)的CME 速度、質(zhì)量、動能和耀斑等級等明顯高于無射電增強(qiáng)事件, 即伴隨射電增強(qiáng)的II 型射電暴事件對應(yīng)的CME 通常具有更高的能量, 爆發(fā)更劇烈.

圖2 CME 速度、質(zhì)量、動能和耀斑統(tǒng)計直方圖. 藍(lán)色為有射電增強(qiáng)事件(Group I), 紅色為無射電增強(qiáng)事件(Group II)Fig. 2. Histogram of CME velocity, mass, kinetic energy and flare class. Blue denotes radio enhancement events (Group I), and red denotes no enhancement events (Group II).

圖3為II 型射電暴伴隨的SEP 事件峰值通量統(tǒng)計. 由圖3 可知, 射電增強(qiáng)事件的SEP 峰值普遍高于0.01 (SEP 通量單位為(cm2s sr MeV)–1), 最大峰值超過100, 均為大SEP 事件, 即大于0.0114.無射電增強(qiáng)事件的SEP 峰值分布在10–4—10, 絕大部分事件峰值小于1. 比較二者可以看出, 有射電增強(qiáng)事件伴隨的SEP 峰值通量普遍較大, 且明顯高于無射電增強(qiáng)事件, 也就是說有射電增強(qiáng)的II 型射電暴對應(yīng)太陽爆發(fā)具有更高的大SEP 事件產(chǎn)生概率.

圖3 SEP 事件峰值通量統(tǒng)計直方圖Fig. 3. Statistical histogram of SEP peak intensity.

3.2 射電增強(qiáng)與SEP 事件

為深入了解射電增強(qiáng)事件和無射電增強(qiáng)事件與SEP 事件產(chǎn)生之間的關(guān)聯(lián), 對樣本事件進(jìn)行分組來討論CME 屬性之間差異以及與SEP 事件之間的關(guān)聯(lián)(圖4), 由圖4 可知, 無論有無射電增強(qiáng),產(chǎn)生SEP 事件的CME 速度、質(zhì)量、動能等明顯高于無SEP 事件的. 在有射電增強(qiáng)的事件中, 無SEP 事件對應(yīng)的CME 速度、質(zhì)量、動能普遍偏小(低速、低質(zhì)量、低動能), 而產(chǎn)生SEP 事件的CME速度、質(zhì)量、能量普遍偏大(速度 > 1000 km/s, 質(zhì)量 > 1016g, 動能 > 1032erg, 高速、高質(zhì)量、高動能).無射電增強(qiáng)事件中, 產(chǎn)生SEP 事件的CME 速度、質(zhì)量、動能等也明顯高于不產(chǎn)生SEP 事件的CME.

圖4 CME 速度、質(zhì)量、動能與SEP 事件關(guān)聯(lián)的統(tǒng)計直方圖. 藍(lán)色是有SEP 事件, 紅色是無SEP 事件Fig. 4. Histogram of CME velocity, mass, kinetic energy with SEP/No SEP, and blue denotes the events with SEP, and red denotes the events without SEP.

對比圖4 中Group I 和II 可知, 有或無射電增強(qiáng), 產(chǎn)生SEP 事件的CME 比不產(chǎn)生SEP 事件的CME 具有更高的速度、質(zhì)量和動能. 相對于無射電增強(qiáng)事件, 無論產(chǎn)生SEP 與否, 有射電增強(qiáng)事件的CME 具有更高的能量. 無論有無射電增強(qiáng),產(chǎn)生SEP 事件的CME 通常比同情形下無SEP 產(chǎn)生的CME 具有更高的能量. 也就是說, 不管射電增強(qiáng)與否, CME 若要產(chǎn)生SEP 事件, 都需要具有較高的速度、質(zhì)量、能量.

3.3 特征時間分析

圖5 以SEP 事件起始時刻作為參考點0, 各時間點與參考點之差的統(tǒng)計直方圖. II 型射電暴起始(T1 紅色)和結(jié)束時刻(T2 藍(lán)色)、射電增強(qiáng)起始(T3 紫色)和結(jié)束時刻(T4 綠色)、SEP 峰值時刻(T5 灰色)Fig. 5. Uses the starting moment of the SEP events as the reference point (0), histogram of the difference between type II radio burst start /stop time(T1/T2), radio enhancement start/stop(T3/T4), SEP stop time(T5) and the reference point respectively.

為了進(jìn)一步研究射電增強(qiáng)是否與SEP 事件產(chǎn)生有關(guān), 本研究組分析了射電增強(qiáng)開始時間與高能粒子起始釋放時間的先后順序. 圖5 為有射電增強(qiáng)事件中的SEP 事件, 以每個事件的SEP 近太陽附近起始釋放時刻作為參考點0, II 型射電暴及射電增強(qiáng)開始、結(jié)束時刻和SEP 的峰值時刻與參考點之差的統(tǒng)計分布圖. 結(jié)果顯示, 除了一個事件外,所有事件的II 型射電暴開始時間都早于SEP 起始釋放時間, 即所有高能粒子都是在激波產(chǎn)生(假設(shè)以II 型射電暴開始為標(biāo)志)之后一段時間內(nèi)開始釋放或產(chǎn)生的. 除4 個事件的射電增強(qiáng)開始時間在SEP 起始釋放時刻之前外, 其余26 個事件射電增強(qiáng)都是在SEP 起始釋放之后才開始, 這表明絕大部分事件中高能粒子在射電尚未增強(qiáng)之前就已經(jīng)產(chǎn)生. 特別地, 有一個事件的射電增強(qiáng)開始、結(jié)束時間都在SEP 起始釋放時刻(參考值0)之前.T1, T2, T3, T4, T5 的均值分別為–60.8, 281.5,50.7, 256.7, 546.2 min. 通過對比T1(–60.8 min),0(SEP 起始釋放時刻), T3(50.7 min)可以看到: 首先, CME 驅(qū)動激波并產(chǎn)生II 型射電暴; 其次, 經(jīng)過一段時間加速, 粒子產(chǎn)生SEP 并向外釋放, 這一過程通常在激波產(chǎn)生后不久就開始發(fā)生; 此后, 較強(qiáng)的高能量CME 與先行CME 或殘余物質(zhì)發(fā)生作用, 并伴隨射電增強(qiáng), 這一過程通常在SEP 產(chǎn)生之后, 也就是發(fā)生在較高高度范圍內(nèi). 若考慮傳播路徑長度假設(shè)帶來的誤差, 可選取更長的粒子傳播路徑(如1.7 AU), 結(jié)果表明絕大部分II 型射電暴(25/30)的起始時間仍早于粒子起始釋放時間, 與上述結(jié)論基本一致.

通過對比射電增強(qiáng)開始時刻T3(50.7)、結(jié)束時刻T4(256.7)與SEP 起始釋放時刻(參考值0)、SEP 峰值時刻T5(546.2), 發(fā)現(xiàn)大部分事件射電增強(qiáng)持續(xù)時間段在SEP 事件起始釋放至峰值這段時間內(nèi).

3.4 II 型射電暴開始、結(jié)束高度

1)有射電增強(qiáng)伴隨

圖6 為射電增強(qiáng)事件, 圖6(a)和圖6(b)分別為II 型射電暴起始、結(jié)束高度區(qū)間均值隨CME 速度的變化關(guān)系; 圖6 (c)和圖6(d)分別為II 型射電暴起始、結(jié)束高度的統(tǒng)計分布, 紅色為無SEP 事件, 藍(lán)色為有SEP 事件. 從圖6(a)可以看出, 無SEP 事件的CME 速度全部小于1500 km/s, 且II 型射電暴起始高度均值隨CME 速度增大而逐漸下降; 有SEP 事件的CME 速度全部大于500 km/s, II 型射電暴開始高度均值小于6 Rs.圖6(c)顯示有SEP 事件產(chǎn)生的II 型射電暴開始高度略低于無SEP 事件產(chǎn)生的II 型射電暴開始高度(均值4.03 Rs > 3.50 Rs). 產(chǎn)生SEP 事件的II 型射電暴或激波具有更低的開始高度, 這與文獻(xiàn)[4,5]中CME 激波的開始高度越低就越容易產(chǎn)生SEP 事件的結(jié)果相符.

圖6 射電增強(qiáng)事件 (a, b) II 型射電暴開始、結(jié)束高度在不同速度區(qū)間內(nèi)的均值分布; (c, d) II 型射電暴開始、結(jié)束高度的統(tǒng)計直方圖Fig. 6. For radio enhancement events, (a, b) the bin-average distribution of the type IIs start/stop height in different speed intervals; (c, d) the histogram of the type IIs start/stop height.

圖6(b)和(d)為II 型射電暴結(jié)束高度分析. 從圖6(b)和(d)可以看出, 有SEP 事件產(chǎn)生的II 型射電暴結(jié)束高度明顯高于無SEP 事件的(均值33.06 Rs < 47.26 Rs), 且有SEP 伴隨的II 型射電暴結(jié)束高度均值隨CME 速度的增大而明顯增大. 部分超強(qiáng)II 型射電暴的結(jié)束高度可到達(dá)100 Rs 以上.

2)無射電增強(qiáng)伴隨

圖7 為無射電增強(qiáng)事件, (a), (b)為II 型射電暴開始、結(jié)束的高度區(qū)間均值隨速度分布情況;(c), (d)為II 型射電暴開始、結(jié)束高度的統(tǒng)計直方圖. 從圖7(a)可以看出, 在無射電增強(qiáng)事件中,II 型射電暴開始高度均值普遍小于6 Rs, 有無SEP 事件無明顯差別. 從圖7(b)可以看出: 無射電增強(qiáng)事件中, II 型射電暴結(jié)束高度普遍小于30 Rs; II 型射電暴結(jié)束高度均值都隨CME 速度的增大而升高, 且有無SEP 事件無明顯差異. 從圖7(c), (d)可以看出: 產(chǎn)生SEP 事件的II 型射電暴開始高度一般較低而結(jié)束高度較高(均值為3.53—12.81 Rs), 也就是對應(yīng)激波具有較大的持續(xù)高度范圍; 而沒有產(chǎn)生SEP 事件的II 型射電暴開始高度一般較高而結(jié)束高度較低(均值為3.85—7.97 Rs), 即激波持續(xù)高度范圍較小.

對比圖6 和圖7, 總體上有SEP 事件的II 型射電暴起始高度比無SEP 事件的略低, 約為3.5 Rs. 無論有(無)SEP 事件, 有射電增強(qiáng)事件的II 型射電暴結(jié)束高度為47.26 Rs (33.06 Rs)顯著大于無射電增強(qiáng)事件的12.81 Rs (7.97 Rs).

3.5 射電增強(qiáng)區(qū)與非增強(qiáng)區(qū)日冕密度

圖7 無射電增強(qiáng)事件 (a), (b) II 型射電暴起始、結(jié)束高度在不同速度區(qū)間內(nèi)的均值分布; (c), (d)II 型射電暴起始、結(jié)束高度的統(tǒng)計直方圖Fig. 7. For no radio enhancement events: (a, b) The bin-average distribution of the type IIs start/stop height in different speed intervals; (c, d) the histogram of the type IIs start/stop height.

圖8 射電增強(qiáng)事件 (a)非增強(qiáng)區(qū)域擬合密度模型倍數(shù)N1; (b)增強(qiáng)區(qū)域擬合密度模型倍數(shù)N2; (c) N2 與N1 差值的統(tǒng)計直方圖Fig. 8. Histogram of N1, N2, N2-N1. N1 and N2 are the multiples of coronal density model used in the fitting of type II radio burst and its enhancement episode respectively.

圖9 CME1 和CME2 速度、角寬、重疊角寬的統(tǒng)計直方圖Fig. 9. Histogram of CME1 and CME2 with speed, angular width and overlap width.

圖8 為射電增強(qiáng)事件中II 型射電暴非增強(qiáng)區(qū)域擬合密度模型倍數(shù)(N1)和射電增強(qiáng)區(qū)域擬合密度模型倍數(shù)(N2)及N2-N1 的統(tǒng)計直方圖. 本研究中采用的日冕密度模型為一維模型及倍數(shù), 只作為日冕密度徑向分布的估算, 不能完整反映激波面周圍日冕密度的三維分布, 所以本研究用來定性比較密度相對高低. 如圖8 所示, 無論是有SEP 事件還是無SEP 事件, 射電增強(qiáng)區(qū)域密度普遍高于非增強(qiáng)區(qū)域. 這與射電增強(qiáng)起因于CME 相互作用的假設(shè)一致, 即相互作用的兩個CME 中, CME2 激波前方為與其發(fā)生作用的CME1, 其密度一般比周圍日冕密度要大. 圖8(c)顯示每個事件的N2 和N1 差值統(tǒng)計, 除4 個事件外, 射電增強(qiáng)區(qū)域擬合密度模型倍數(shù)(N2)均大于或等于非增強(qiáng)區(qū)倍數(shù)(N1), 表明射電增強(qiáng)區(qū)域密度更大. 此外, 有SEP 事件的密度倍數(shù)差值均值高于無SEP 事件的. 這一結(jié)論表明, 在射電增強(qiáng)事件中, 能夠產(chǎn)生SEP 事件的CME 激波前沿具有更高的日冕密度.

3.6 射電增強(qiáng)事件中CME1 和CME2

本文假設(shè)射電增強(qiáng)主要是由于CME 相互作用引起的. 在本文研究樣本中, CME2 速度全部大于CME1 速度(圖9(a)), 這樣, CME2 傳播中可以追趕上CME1 并發(fā)生相互作用. 從圖9(b)可以看出, CME2 的角寬普遍大于CME1 的, 且大多數(shù)為halo CME(圖9(b)).

在CME 相互作用過程中, CME2 可以部分或者完全掃過CME1. 為了進(jìn)一步探討射電增強(qiáng)事件中重疊角寬與SEP 事件的產(chǎn)生或者強(qiáng)度有無關(guān)聯(lián),分析了CME1 的角寬與重疊角寬的關(guān)系. 圖9(c)結(jié)果顯示, 射電增強(qiáng)事件中, 除了3 個事件外, 其余所有事件的重疊角寬與CME1 的角寬基本相等,也就是CME2 完全掃過CME1 的傳播區(qū)域. 這表明, 當(dāng)一個快速CME 完全掃過另一個CME 而發(fā)生相互作用時更容易產(chǎn)生射電增強(qiáng), 這一結(jié)論與文獻(xiàn)[25]一致. 同時也顯示, 產(chǎn)生SEP 與不產(chǎn)生SEP的事件無明顯差別.

4 結(jié)果及討論

本文結(jié)合多衛(wèi)星聯(lián)合觀測, 對第24 太陽活動周2007 年1 月至2015 年12 月期間82 個II 型射電暴事件進(jìn)行分析, 并對比分析了射電增強(qiáng)與否與SEP 事件產(chǎn)生之間的關(guān)聯(lián). 基于日冕密度模型,對射電頻譜進(jìn)行擬合, 分析擬合結(jié)果與CME,SEP 參數(shù)之間的關(guān)系, 探討II 型射電暴、射電增強(qiáng)與SEP 事件之間的關(guān)系, 主要得到以下結(jié)論:

1) 射電增強(qiáng)事件對應(yīng)的CME 速度、質(zhì)量、動能和耀斑等級均高于無射電增強(qiáng)事件, 表明射電增強(qiáng)事件對應(yīng)的CME 具有更高的能量, 這與文獻(xiàn)[25]中的結(jié)論一致. 伴隨射電增強(qiáng)的CME 激波加速粒子更易產(chǎn)生SEP 事件(尤其是大SEP 事件).無論有無射電增強(qiáng), 產(chǎn)生SEP 事件的CME 速度、質(zhì)量和動能均明顯大于無SEP 的事件, 這表明產(chǎn)生SEP 事件需要更高能的CME 爆發(fā).

2) 特征時間分析表明, SEP 在近太陽附近的起始釋放發(fā)生在II 型射電暴開始之后, 而釋放時間又早于射電增強(qiáng)開始時間. 此結(jié)果表明, 射電增強(qiáng)并不是直接導(dǎo)致SEP 事件產(chǎn)生的原因, 只能作為CME 激波增強(qiáng)或者CME 更高能的觀測表征,增強(qiáng)的激波加劇了粒子加速過程.

3) 無論有無射電增強(qiáng), 有SEP 事件伴隨的II 型射電暴開始高度略低于無SEP 事件的, 總體小于6.0 Rs, 平均約為3.5 Rs; 相比于無SEP 事件的情況, 有SEP 事件伴隨的II 型射電暴具有更高的結(jié)束高度, 其中有射電增強(qiáng)事件的II 型射電暴結(jié)束高度(SEP: 47.26 Rs; No SEP: 33.06 Rs)明顯高于無射電增強(qiáng)事件(SEP: 12.81 Rs; No SEP:7.97 Rs). CME 激波若能持續(xù)到足夠高的空間范圍, 也足以表明此CME 具有更高的能量. 統(tǒng)計表明II 型射電暴起始高度越低、結(jié)束高度越高的情況下, 產(chǎn)生SEP 事件的概率更高. 也就是說, 當(dāng)激波在很低的日冕形成后一直持續(xù)到很高高度(行星際)或持續(xù)很長時間, 則更容易產(chǎn)生SEP 事件. 進(jìn)一步表明, 若要產(chǎn)生SEP 事件, 則要求CME 長時間驅(qū)動激波、具有更高的能量.

4) 相比于II 型射電暴非增強(qiáng)區(qū)域, 射電增強(qiáng)區(qū)域密度更高; 相比于無SEP 事件, 有SEP 事件II 型射電暴區(qū)域密度更高. 顯然, 更高密度的等離子體可提供更多待加速的種子粒子, 從而更容易產(chǎn)生SEP 事件.

5) 射電增強(qiáng)事件中CME2 幾乎完全掃過CME1 的傳播區(qū)域, 表明在這種情況下, CME 相互作用更易產(chǎn)生射電增強(qiáng), 而有無SEP 事件之間則無明顯差異. 這也進(jìn)一步說明, 要產(chǎn)生SEP 事件, 不僅要有激波或增強(qiáng)的激波, 還要具備其他條件, 如有足夠多的種子粒子、良好的磁聯(lián)接條件等.

綜上所述, 伴隨有II 型射電暴射電增強(qiáng)的CME 具有更高的能量, 能驅(qū)動更強(qiáng)的激波, 但射電增強(qiáng)不是引起SEP 事件的直接原因, 只是快速高能的CME 與其他先行CME 相互作用而引起激波增強(qiáng)的觀測表現(xiàn). 結(jié)果還顯示, 伴隨有射電增強(qiáng)的CME 普遍比無射電增強(qiáng)的CME 具有更快的速度、更大的質(zhì)量和動能, 更高能, 更容易產(chǎn)生SEP事件, 尤其是大SEP 事件.

感謝以下數(shù)據(jù)網(wǎng)站提供本文觀測數(shù)據(jù): CME, DH II 型射電暴列表及參數(shù)(CDAW, https://cdaw.gsfc.nasa.gov); 耀斑相關(guān)數(shù)據(jù)(LMSAL, http://www.lmsal.com/solarsoft/latest_events_archive.html; https://solarmonitor.org/); 米波射電觀測數(shù)(Radio Monitoring: Learmonth,YNAO, http://secchirh.obspm.fr/index.php, ftp://ftp.ngdc.noaa.gov/STP/space-weather/solar-data/solarfeatures/solar-radio/rstn-spectral/learmonth/;BIRS,http://www.astro.umd.edu/~white/gb/); DH 波射電觀測數(shù)據(jù)(Wind/WAVES, https://cdaweb.sci.gsfc.nasa.gov/index.html/; STEREO/SWAVES, http://www.ieap.unikiel.de/et/ag-heber/costep/data.php); 高 能 粒 子 數(shù)(STEREO/HET, http://www.ieap.uni-kiel.de/et/ag-heber/costep/data.php; SOHO/EPHIN, http://www2.physik.uni-kiel.de/SOHO/phpeph/EPHIN. htm).