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太阳射电尖峰爆发的辐射机制:谐频脉泽

已有 1587 次阅读 2021-1-5 16:42 |系统分类:科研笔记

太阳射电暴是太阳大气中射电波段辐射短时剧烈增强的现象。根据观测到的射电频谱特征,可将射电暴分为多种类型。其中,太阳射电尖峰暴(Solar Spikes)常在耀斑过程中大量出现,数量可成千上万,一般在米-分米波段观测到,具有窄带、高亮温(~1015K)、短时标(毫秒级)的特征,是各类太阳射电暴中亮温最高的一类。许多作者认为,尖峰爆发可能源自耀斑中的诸多元爆发过程(Elementary Eruption),故相关研究对理解耀斑爆发过程具有重要价值。

电子回旋脉泽辐射(Electron Cyclotron Maser Emission: ECME)是解释尖峰暴的主要机制。该机制适用于等离子体频率小于电子回旋频率的环境中,由速度分布函数具垂直方向正梯度的高能电子通过电子回旋共振不稳定性激发。该不稳定性可直接放大等离子体中的可逃逸电磁模式(X、O模),产生辐射,是目前所知唯一一种在等离子体中可直接线性放大的辐射机制(前面作者的多篇博文之中已有详细介绍)。以往研究主要假设高能电子具有损失锥速度分布,相应的脉泽辐射过程主要产生X模基频辐射。然而,在由日冕源区向外传播过程中,基频辐射会遭遇二次谐频层并被强烈吸收,很难逃出日冕。这便是损失锥脉泽辐射机制在解释尖峰爆发时所面临的“逃逸困难”。

射电暴是太阳爆发中多尺度物理过程共同作用的结果:首先是大尺度的磁场爆发,再到磁重联、激波等高能电子加速动理学过程,以及电子输运和相应速度分布函数的演化,并最终在微观动理学尺度产生辐射并传播。受计算资源所限,当前尚难以对这一物理过程开展跨尺度的模拟研究。为能适当考虑多尺度物理效应,特别是大尺度磁场对粒子速度分布及辐射激发的影响,本工作联合使用三种不同尺度下的模拟手段,对产生尖峰暴的多尺度过程进行了模拟研究,所用三种手段简介如下:

1.      利用磁场外推得到一个真实活动区上方的大尺度磁场位形。

2.      选择外推得到的一个冕环(见图1),在环顶注入200万个满足麦克斯韦分布的高能电子,利用引导中心理论模拟这些电子在冕环中的运动,并研究冕环各处电子速度分布的演化。

3.      将所环顶处电子速度分布注入PIC模拟系统中,通过研究体系中的百亿个电子的运动及其与电磁场的自洽相互作用,来研究相应分布电子所激发的辐射情况。

模拟发现,由于高能电子在环内的传播和冕环磁镜效应所导致的反弹运动,相应速度分布可同时出现带状和损失锥分布特征(图2),其中前者主要由反弹电子构成,后者主要是由冕环磁镜效应所致。二者均在垂直速度方向存在正梯度,均可激发电子回旋脉泽辐射。本研究比较了不同散射效应对这些分布和相应辐射激发的影响。发现,在弱散射条件下,高能电子的带状分布特征最为明显,并可有效激发准垂直方向的X模二次谐频;而在强散射条件下,高能电子分布主要表现为损失锥特征,主要激发基频X模辐射(图3)。PIC模拟结果还表明,弱散射条件下,大约有0.3%的高能电子能量可转为谐频辐射能量,对应于一很有效的电子-辐射能量转化过程。

这是首次在日冕条件下通过电子回旋脉泽过程得到X模二次谐频的有效激发。研究表明高能电子在磁环中运动所形成的带状(而非损失锥)分布所对应的脉泽辐射对于射电爆发更为重要,为解决一开始提到的损失锥脉泽辐射“逃逸困难”问题提供了新的途径,也为尖峰暴起源提供了新的脉泽机制。

本工作由山东大学空间科学研究院、前沿交叉科学青岛研究院陈耀团队完成,题为Harmonic ECME excited by energetic electrons travelling inside a coronal loop,已被ApJ期刊接收,将于近期发表。作者感谢北京超算中心提供的计算资源支持 (BSCC, URL: http://www.blsc.cn/)、美国Los Alamos国家实验室提供的VPIC开源程序,以及国家自然科学基金重大项目课题支持。

fig1.png

图1 (a) 本研究所使用的活动区磁场数据及磁场外推结果;(b) 在其中开展电子运动引导中心模拟的磁环结构。

fig2.png

2 (a-c) PIC模拟过程中的电子速度分布,三个子图分别对应弱散射(case W)、中等散射(case M)、强散射(case S)条件下的速度分布。(d-f)主要增长的三种模式的能量演化曲线,其中X2代表X模二次谐频、Z代表Z模、X1代表X模基频辐射。能量归一化为高能电子初始动能。红色虚线代表拟合得到的模式能量线性增长率。

fig3.png

3  PIC模拟得到的模式色散关系,传播方向分别为35°、95°和100°,(a-c)分别代表利用弱散射、中等散射、强散射电子的模拟结果。




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