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太阳爆发是剧烈的能量释放过程,可以引起伽马射线、硬软x射线,紫外、可见光、微波、直至射电波段的辐射增强。其中,在收音机广播的无线电调频波段(~100 MHz)是太阳射电爆发的频发区域,也是我们特别感兴趣的频段。在车主(注:应该是目前收音广播的主要听众)收听节目的时候,要知道,太阳也在相同的频率上发射电波,这些电波8分钟后就可以被您的收音机接收到,对您的收听造成干扰。
对调频广播的干扰其实是小事。严重的是,太阳射电辐射的急剧增强会对人类各种通讯所依赖的电离层状态、乃至通讯和导航等活动产生显著影响。强烈的太阳射电爆发覆盖~KHz到~GHz的频率范围,常可持续几至十几分钟,甚至更长时间;其中频率大于~10-30 MHz的信号可穿越地球电离层,干扰乃至覆盖通讯导航系统的电磁信号,严重者还可造成接收机饱和乃至失锁,从而对通讯导航系统造成影响。此外,太阳射电爆发可影响GPS的定位精度、减弱雷达监视系统的分辨和目标识别能力等。在军事方面,尤其需考虑太阳射电爆发的影响。
从科学角度而言,研究天文辐射,包括太阳辐射的主要目的就是为了诊断,诊断我们和我们的仪器无法到达的辐射源区!对于太阳射电而言,特别需要强调的是,米波段的射电辐射源自太阳爆发过程中的能量释放和转化的最为关键的一个区域 (日心距离在1.2-2.5 太阳半径之间,对应频率几十MHz-几百MHz),也是太阳高能粒子产生的重要区域。因而,射电数据携带着太阳爆发运动过程和粒子加速与辐射的丰富物理信息,是对太阳和空间物理研究非常有用的观测窗口。
在米波波段,常见的太阳射电爆发类型分为I-V型射电暴,常通过太阳射电动态频谱仪和日像仪进行观测研究。射电动态频谱仪可以记录在一定频率范围内的射电信号强度随频率和时间的变化(称为动态频谱),这一观测手段的时间分辨率可以很高,然而却不具备空间信息,即不知道辐射源在哪儿;射电日像仪则可以在特定频率上对太阳射电辐射进行成像,由于工作在米波,成像的质量和空间分辨率通常很大。目前,世界上最为常用的是法国Nancay的射电日像仪NRH,仅在几个频点上有观测数据。我国正在建设的内蒙白旗射电日像仪(CSRH),最低可观测频率为400 MHz,是很了不起的先进设备,但也主要工作于短于米波的频率范围。
由于上述观测方面的约束,米波段太阳射电暴,特别是大家关心的对空间天气很重要的II型暴的物理起源还没有搞清楚。一般认为,II型暴是由日冕或行星际中的激波驱动的。但是,对于米波II型暴而言,到底是耀斑爆震波,还是日冕物质抛射(CME)驱动的激波引起的,一直有很大争议。射电暴过程中,激波加速电子进而产生辐射是很有意思的一件事情,但也还是不太清楚的。
在由山东大学空间科学研究院、紫金山天文台、美国Los Alamos国家实验室和美国阿拉巴马大学科研人员组成的研究团队近期在II型暴起源与日冕物质抛射(CME)和冕流相互作用问题上取得了进展。
冕流是日冕中的高密度结构,这里的特征信号传播速度很低。注意,激波形成的一个重要物理条件是运动速度超过了介质的特征速度(例如声速),使得线性波模无法承担起传递这一运动信息的任务,而只有借助于激波这一严重陡化的传播结构方能实现。大家熟知的一个激波的例子就是核弹爆炸(电影)中的冲击波,再就是“超人”或“铁臂阿童木”或“神舟”重返大地时,前方顶起的波罩。下图是网上搜到的音爆云,飞机速度超过声速时产生的,与日冕激波的形态还是有比较类似的。
许多人认为,在扰动传播到具有较低特征速度的冕流区域时,常会陡化成激波或原先的激波得到加强,从而加速产生高能量电子(注:一种主要的激波电子加速机制是:通过激波切割磁力线的运动产生的感生电场加速)和激发射电辐射。然而,以往对这一认识的观测支持都是基于没有空间分辨的频谱数据分析得到的。本工作则找到一例既有频谱观测、又有射电成像和爆发过程的紫外波段成像观测数据的事件。针对这一事件的深入分析,发现II型暴源于CME和一高密度日冕射线结构的相互作用。这为II型暴起源于CME-日冕结构相互作用过程提供了直接的依据。
该工作已被美国天体物理学杂志接受(Chen, Du, Feng et al. ApJ, 2014),将于近期发表,受到了科技部973计划和国家自然科学基金委等项目的支持。
图一、这次事件(2010年3月18日)的NRH射电成像和动态频谱观测数据。
图二、此次事件的太阳爆发紫外成像观测数据(STEREO双子星)。
图三、为了判断激波剖面的几何位形而进行的三维激波几何重构。
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GMT+8, 2024-12-23 09:46
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