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太阳爆发之II 型射电暴断谱事件
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太阳爆发之II 型射电暴断谱事件
日冕物质抛射等太阳爆发常会伴随着波长为厘米-米-十米至千米波段(频率为GHz-KHz)的射电辐射增强。其中有一种在射电频谱仪记录的动态频谱上表现为由高频向低频缓慢漂移的窄带，称之为II型射电暴。下图是一例具有非常好形态的II型射电暴的频谱观测图。( 图中上下两组频带的频率之比为2，代表辐射基频和二次谐频，每带又分成两支，则为II型暴的频带分裂现象。)
一般认为，II型射电暴是由太阳爆发过程所驱动激波加速的高能电子激发的,辐射源区在激波间断附近,并随激波一起向外传播。射电辐射频率是由当地等离子体振荡频率决定，而等离子体振荡频率又直接由等离子体的电子密度决定。在激波向外传播的过程中，数密度会不断下降，因而观测到的辐射频率也随时间递降。如果采用合适的日冕-太阳风密度随高度变化的模型，则可以将射电频率随时间的变化转为日冕激波高度随时间的变化，从而求出激波的传播速度，进而能帮助我们了解激波可能到达和冲击地球的时间，对空间天气灾害事件的预报有很大作用。
II型射电暴作为等离子体辐射的一种表现，与激波的几何和强度等参数、高能电子分布和运动情况、当地的磁场和等离子体分布均有密切关联。因此，射电暴的观测可以为我们提供辐射源区的大量有用信息。然而，由于当前在百兆Hz及更低频段上尚缺乏分辨率足够的射电成像观测，目前研究对于II型射电暴，特别是日冕米波暴的确切物理起源和爆发位置仍存在很大争议。
在II型射电暴的频谱数据中，经常会观测到频率比大致为2的两支谱带，被理解为是由等离子体辐射机制产生的基频和二次谐频分支。观测还表明，在动态频谱中常出现非常复杂和不易理解的谱形特征，例如频带分裂现象，多支II型暴，herringbones特征等。很显然，这些复杂的II型暴形态的存在使得有关研究变得更加有趣和具有挑战性，而分析清楚这些II型暴射电谱形的物理成因对于理解所涉及的激波产生与传播、电子加速，乃至射电辐射中的基本物理过程是至关重要的。
我们研究了发生在2011年3月27日的一次II型射电暴事件，其动态频谱上最明显的特征是具有一个频漂断点，因此称为射电断谱(a broken spectrum, 如图1)。谐频支的断点位于约43MHz，在断点前，II型暴持续时间大约为6分钟，平均频漂约为-0.05MHz/s；在断点后，射电谱整体跳变到较低的频率，持续了约3分钟。通过结合STEREO等卫星对本次爆发过程的成像观测数据，我们推断前一段慢漂II型暴很可能是由物质喷射在冕流内部驱动的激波产生的，而后面快漂段对应于激波穿越冕流的过程，频率的跳变主要是由于激波穿越冕流边界处的密度陡降区域引起的(参见图2和图3及图题解释)。我们指出,此类具特殊形态的射电暴事件为推断日冕密度结构和射电辐射源区提供了一种独特的诊断手段。
该工作受到973项目和国家自然科学基金项目的支持，已被影响因子为7.436的美国天体物理学杂志(the Astrophysical Journal)接收，将于近期发表(Xiangliang Kong, Yao Chen, Gang Li, Shiwei Feng, Hongqiang Song, Fan Guo and Fangran Jiao, 2012, Accepted by ApJ, 注：此工作为断谱事件的首次报道。)。
图1: 图中上部分为GOES卫星软X-ray通量随时间变化曲线，下部分为BIRS和Learmonth台站的射电频谱图，“F”和“H”分别表示基频和谐频支，白线是由2倍Newkirk密度模型拟合前一段射电谱得到的。
图2：左图为STEREO/COR1B日冕仪对太阳爆发过程的成像数据，(a)为白光图像，其余均为较差图。右图给出了STEREO两颗卫星测量到的扰动前沿的高度，三角和正方形分别代表EUVI和COR1，A/B分别用蓝色和红色表示，误差棒表征测量的不确定度，约0.05Rs。图中直线为对数据点作线性拟合得到的，拟合速度显示在图的左上角。圆圈则给出了通过密度模型得到的射电辐射区的高度，与所测量的爆发前沿高度非常接近。射电谱断点出现在00:33UT，此时爆发前沿扫过图中黑色竖线标示的冕流亮区顶部(~2.3 R⊙)，这与根据所假设的密度模型得到的谐频支射电断点即43MHz对应的激波高度~2.3 R⊙相一致。我们得出，本次射电爆发事件很可能是激波在冕流内部传播时激发的，而频谱的断点对应于激波开始穿越冕流边界的位置。
图3：说明射电断谱形成过程的卡通图。(a)中画出了冕流的磁力线（黑线）以及不同时刻激波前沿的位置（蓝线）。黄色区域为高密度冕流向周围稀薄太阳风区域的过渡区，II型暴的辐射区在图中用红色“栅栏”形表示。如(b)所示，在断点后的射电谱观测到的快漂特征，可以用图中P、Q和R点所代表的射电源区位置依次穿越冕流边界的过程来解释。例如，在00:33 UT，P点传播至A点，开始穿越冕流过渡区，此时射电谱断点出现。而在P点到达A’后，即射电源区越过冕流边界后，辐射很快停止。这可能是因为在激波亮沿进入太阳风区域后，由于Alfvén速度和太阳风速度的同时增加，激波强度将迅速变弱，甚至退化为快磁声波扰动，从而无法将电子加速到足够高的能量，产生射电爆发。
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