太陽(yáng)爆發(fā)中激波電子加速和輻射研究.pdf

1、太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)是指太陽(yáng)大氣中劇烈的能量釋放過(guò)程，主要包括日冕物質(zhì)拋射(CME)和耀斑。CME是短時(shí)間內(nèi)由太陽(yáng)拋出的巨大磁化等離子體物質(zhì)，是太陽(yáng)系中尺度最大的爆發(fā)現(xiàn)象。耀斑是太陽(yáng)色球-日冕局部區(qū)域發(fā)生的多波段瞬間增亮現(xiàn)象。典型的CME和耀斑爆發(fā)期間所釋放的能量約1031-1032爾格，同時(shí)會(huì)加速產(chǎn)生大量的高能粒子，伴隨從射電到γ射線全波段的電磁輻射增強(qiáng)，能對(duì)地球的空間環(huán)境造成強(qiáng)烈的擾動(dòng)。目前普遍認(rèn)為爆發(fā)能量主要來(lái)自日冕磁場(chǎng)能量的釋放，但粒子

2、加速的物理機(jī)制仍是未完全解決的問(wèn)題。太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)可在日冕和行星際空間中驅(qū)動(dòng)磁流體力學(xué)激波，而激波被認(rèn)為是空間中粒子加速的有效場(chǎng)所。太陽(yáng)爆發(fā)-日冕激波-粒子加速-電磁輻射是日地空間物理研究中一個(gè)重要的連鎖物理過(guò)程。在本論文中，我們主要關(guān)注激波對(duì)電子的加速，以及高能電子激發(fā)的Ⅱ型射電暴和硬X射線-γ射線輻射。在第二章和第三章，我們研究了冕流對(duì)日冕激波的電子加速和日冕Ⅱ型射電暴的可能作用;在第四章和第五章，我們研究了耀斑輻射能譜高能區(qū)硬化現(xiàn)象

3、和耀斑終止激波的電子加速。
　　我們發(fā)現(xiàn)、定義并解釋了Ⅱ型射電暴“斷譜”特征。對(duì)于發(fā)生在2011年3月27日的Ⅱ型暴事件，我們發(fā)現(xiàn)其射電動(dòng)態(tài)頻譜上具有兩段完全不同頻漂的譜形，即在正常緩慢漂移的Ⅱ型暴輻射后緊接有一段快漂射電譜。根據(jù)等離子體輻射機(jī)制，我們認(rèn)為射電斷譜的產(chǎn)生是由激波上的射電輻射源區(qū)從冕流內(nèi)部穿出時(shí)跨越冕流邊界的密度陡降區(qū)造成的。另外，根據(jù)激波傳播速度、頻率漂移大小和斷點(diǎn)后射電輻射的持續(xù)時(shí)間，可以簡(jiǎn)單估算冕流密度邊界的寬

4、度和密度梯度的大小，得到冕流邊界處的密度在約0.1R⊙的距離上下降約3倍?？紤]到激波傳播方向可能并非與冕流密度邊界垂直，上述距離應(yīng)視為產(chǎn)生密度下降的上限。盡管如此，所估算的密度梯度與以往觀測(cè)數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果基本一致。將射電頻譜特征（如斷譜）與爆發(fā)成像觀測(cè)進(jìn)行物理關(guān)聯(lián)為推斷Ⅱ型暴射電輻射源區(qū)的性質(zhì)提供了新的工作思路。
　　我們還研究了發(fā)生于2011年3月25日的日冕Ⅱ型暴事件，發(fā)現(xiàn)兩事件具有一些共同的觀測(cè)特征:(1)兩事件對(duì)應(yīng)的CME

5、爆發(fā)于同一冕流結(jié)構(gòu)底部的活動(dòng)區(qū)，并且可以清楚地看到擾動(dòng)亮沿逐步掃過(guò)冕流;(2)由成像觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的CME前沿高度與擬合Ⅱ型暴動(dòng)態(tài)譜得到的射電源區(qū)高度基本一致;(3)在觀測(cè)精度范圍內(nèi)，CME前沿（激波）掃過(guò)冕流尖點(diǎn)區(qū)域時(shí)，射電輻射截止。這些觀測(cè)結(jié)果表明，兩個(gè)Ⅱ型射電暴均是由發(fā)生于冕流內(nèi)部的爆發(fā)所驅(qū)動(dòng)的激波產(chǎn)生的。基于這一觀測(cè)結(jié)論，我們猜測(cè)激波在向外傳播時(shí)掃過(guò)冕流閉場(chǎng)的過(guò)程形成了可有效加速粒子的塌縮磁阱系統(tǒng)，對(duì)激發(fā)Ⅱ型暴的高能電子的加速可能

6、有所貢獻(xiàn)。
　　我們進(jìn)一步構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的激波-冕流模型，用試驗(yàn)粒子方法進(jìn)行了電子加速的模擬。模擬結(jié)果表明，只有在冕流閉合磁場(chǎng)區(qū)注入的電子才能得到有效的加速。電子在運(yùn)動(dòng)的激波與冕流閉合磁力線形成的磁約束位形以及電子散射效應(yīng)下，能夠多次返回到激波面被反射和加速。因此，在本文模型中冕流大尺度閉合磁場(chǎng)對(duì)激波的電子加速起著重要的作用。我們還得到高能電子的位置分布（推測(cè)為射電輻射源區(qū))位于靠近冕流對(duì)稱軸的激波上游及緊鄰區(qū)域(即閉合磁力線的頂

7、部區(qū)域）、寬度約為0.1-0.2R⊙等。這些模擬結(jié)果需要未來(lái)能覆蓋米波段（對(duì)應(yīng)日冕太陽(yáng)爆發(fā)過(guò)程）且具有高空間分辨能力的射電日像儀進(jìn)一步驗(yàn)證。眾所周知，大多數(shù)的太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)起源于閉合磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)下方的活動(dòng)區(qū)。因此，本文提出的日冕激波電子加速圖景可能具有更為普遍的意義，可用來(lái)理解更多的日冕Ⅱ型暴事件的起源。另外，本工作為日冕Ⅱ型暴與行星際Ⅱ型暴之間的不連續(xù)性提供了一種可能的解釋。
　　迄今為止，很多不同的衛(wèi)星都觀測(cè)到了耀斑的硬X射線和γ射

8、線軔致輻射連續(xù)譜在幾百keV以上的硬化現(xiàn)象，但目前對(duì)這一觀測(cè)還沒(méi)有讓人信服的解釋。我們通過(guò)瀏覽SMM/GRS儀器的耀斑輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)(300keV-10MeV)，發(fā)現(xiàn)其中23個(gè)事件具有明顯的高能硬化現(xiàn)象并分別對(duì)其進(jìn)行了雙冪律譜的擬合。然后我們對(duì)前人文獻(xiàn)中的15個(gè)事件和新確定的23個(gè)事件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)斷點(diǎn)前譜指數(shù)γ1分布在2.5-4.5(37/38)，斷點(diǎn)后譜指數(shù)γ2多數(shù)分布在1.5-2.5(31/34)，并有7個(gè)事件的γ1-γ2(≥

9、)2;斷點(diǎn)前譜指數(shù)γ1與斷點(diǎn)能量εb和斷點(diǎn)能量之上的光子數(shù)所占比例Fr均有很好的反相關(guān)性，但譜指數(shù)γ1和γ2之間沒(méi)有好的相關(guān)性。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可以檢驗(yàn)和約束各種理論解釋，比如大于2的譜指數(shù)變化不能僅由對(duì)軔致輻射截面的相對(duì)論修正和電子-電子軔致輻射的貢獻(xiàn)來(lái)解釋（僅能使譜指數(shù)變硬～0.5）。
　　我們認(rèn)為耀斑輻射高能硬化現(xiàn)象很可能直接反映了被加速的高能電子本身具有高能硬化的能譜特征。為此，我們提出了一個(gè)基于耀斑終止激波的擴(kuò)散激波電子加速

10、模型。我們假設(shè)電子擴(kuò)散系數(shù)κ是由耀斑粒子加速區(qū)的等離子體湍動(dòng)強(qiáng)度決定的，并且具有類似太陽(yáng)風(fēng)中的湍動(dòng)功率譜形式。根據(jù)共振條件，低能量區(qū)間的電子只能與耗散區(qū)的湍動(dòng)（如哨聲波）發(fā)生共振相互作用，而高能量區(qū)間（幾百keV以上）的電子可以與慣性區(qū)的湍動(dòng)相互作用。由于不同波數(shù)區(qū)間湍動(dòng)串級(jí)冪率譜的不同，通過(guò)數(shù)值求解一維時(shí)變的Parker粒子輸運(yùn)方程，得到了在高能區(qū)硬化的電子能譜。我們將耗散區(qū)的湍動(dòng)冪律譜指數(shù)固定為(∈)d=2.7，并考慮三種情況，分別

11、將慣性區(qū)譜指數(shù)取為(∈)i=5/3(Kolmogorov型)、1.5(Iroshnikov-Kraichnan型)和1.0(Bohm diffusion型)。我們發(fā)現(xiàn)，不同情況下得到的電子能譜均可以很好的用雙冪律譜進(jìn)行擬合，并且擬合所得冪律譜指數(shù)和斷點(diǎn)能量等參數(shù)與觀測(cè)得到的耀斑輻射能譜的相應(yīng)參數(shù)基本吻合。通過(guò)簡(jiǎn)單的定性分析，我們發(fā)現(xiàn)所提出的理論模型可以解釋耀斑能譜硬化現(xiàn)象的一些觀測(cè)分析結(jié)果。因此，本研究為耀斑輻射能譜的高能區(qū)硬化現(xiàn)象提供