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基于射电观测的日冕物质抛射驱动激波的统计特征研究

周坤论 丁留贯 王智伟 封莉

基于射电观测的日冕物质抛射驱动激波的统计特征研究

周坤论, 丁留贯, 王智伟, 封莉
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  • 本文基于Wind/WAVES和STEREO/SWAVES等多卫星射电观测资料, 选择第24太阳活动周2007年1月至2015年12月期间77个II型射电暴样本事件, 拟合其激波速度, 分析了激波参数与日冕物质抛射(CME)、耀斑和太阳高能粒子(SEP)等参数的相关关系及变化规律, 并探讨了射电增强对这些关系的影响. 研究结果显示: 1)在II型射电暴十米百米(DH)波段范围起始时刻, 激波高度比CME前沿高度略高一点, 即激波脱体距离(standoff distance)约0.4 Rs, 且这个高度随CME向外传播而增大. 在低日冕和高日冕, 激波脱体距离随CME速度的变化呈现明显相反的规律; 在低高度上, CME速度快, 激波脱体距离大, 而在高高度上, CME速度慢, 脱体距离大. 2)射电增强伴随事件的CME速度明显大于无射电增强事件; 射电增强伴随事件的激波速度与CME质量、动能的相关性明显好于无射电增强伴随事件. 3)有射电增强伴随的II型射电暴DH波段持续时间与CME速度、质量、动能之间无明显相关性, 而无射电增强事件的DH波段持续时间与这三个量之间呈正相关. 4)产生SEP事件的激波速度明显大于未产生SEP事件的激波速度; 有射电增强伴随的II型射电暴(激波)事件产生SEP事件的比例略高于无射电增强事件(73.5% > 67.4%), 但射电增强事件产生大SEP事件(large SEP event)的比例(67.6%)明显高于无射电增强事件(37.2%). 进一步表明, II型射电暴射电增强可作为其驱动源(激波)大概率产生大SEP事件的辨别信号之一.
      通信作者: 丁留贯, dlg@nuist.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金天文联合基金(批准号: U1731105)、江苏省基础研究计划面上项目(批准号: BK20171456)、江苏省青蓝工程项目和中国科学院暗物质与空间天文重点实验室开放基金资助的课题.
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  • 图 1  典型II型射电暴频谱图及所采用不同密度模型拟合激波高度-时间变化图

    Fig. 1.  Spectrum diagram of a typical type-II radio burst and the linear fitting results of spectrum with different coronal density model

    图 2  (a) 81个候选事件拟合激波速度与CME速度之间的关系. 蓝色圈代表激波速度与CME速度相符事件, 红色三角代表拟合激波速度远小于CME速度事件, 黑色实线是所有事件的线性拟合, 蓝色实线是所有相符事件的线性拟合; (b)拟合激波速度与CME速度之差的统计直方图

    Fig. 2.  (a) Scatter plot of fitting shock speed and CME speed for all 81 candidate events. The blue circle represents the shock speed coincides with the CME speed event, the red triangle represents the events that the fitting shock speed is much smaller than the CME speed, the black solid line is the linear fit of all events, and the blue solid line is the linear fit of all 77 coincident or normal events. (b) Distribution of the speed difference between shock speed and CME speed.

    图 3  所有候选事件DH II型射电暴起始时刻激波高度与CME高度之间的关系. (a)蓝色圈是正常事件, 红色三角是异常事件, 黑色实线是所有事件的拟合线, 蓝色实线是正常事件起始高度的拟合线, 黑色虚线斜率为1. (b) DH II型射电暴起始时刻激波高度与CME高度差的直方图, 蓝色条为正常事件, 红色条为异常事件

    Fig. 3.  Scatter plot of shock height and CME height at the onset of type IIs radio burst for all 81 candidate events. (a) The blue circle is a normal event, the red triangle is an abnormal event, the black solid line is the fitted line for all events, the blue solid line is the fitted line for the normal event start height, and the black dotted line slope is 1. (b) histogram of the difference between the shock height and the CME height at the start of the type IIs radio burst. The blue bar is a normal event and the red bar is an abnormal event.

    图 4  有无射电增强对激波速度与CME速度关系的影响

    Fig. 4.  Difference between groups of radio enhancement and of no radio enhancement on shock speed and CME speed for normal events

    图 5  DH II型射电暴起始时刻(a)激波高度和(b) CME前沿高度的统计直方图. 蓝色为有射电增强的事件, 红色为无射电增强的事件

    Fig. 5.  Statistical histogram of the shock height and the CME leading edge height at the start time of DH type II radio bursts for normal events. Blue is an event with radio enhancement, and red is an event with no radio enhancement.

    图 6  激波脱体距离随CME高度变化统计图

    Fig. 6.  The histogram of the standoff distances as a function of CME heights

    图 7  (a)激波速度与CME质量的相关性, (b)激波速度与CME动能的关系. 蓝色圈为有射电增强的事件, 红色圈为无射电增强的事件, 黑色虚线为所有事件的拟合线, 蓝色虚线为有射电增强事件的线性拟合, 红色虚线为无射电增强事件的线性拟合

    Fig. 7.  Scatter plot of shock speed and CME mass、kinetic energy for normal events. The blue circle is an event with enhanced radio enhancement, the red circle is an event with no radio enhancement, the black dotted line is the fitted line for all events, the blue dashed line is a linear fit result for radio-enhanced events, and the red dashed line is a linear fit result for no radio-enhanced events.

    图 8  激波速度与耀斑等级的相关性, 蓝色圈为有射电增强的事件, 红色圈为无射电增强的事件, 黑色虚线为所有事件的线性拟合, 蓝色虚线为有射电增强事件的线性拟合, 红色虚线为无射电增强的线性拟合.

    Fig. 8.  Scatter plot between shock speed and flare class for normal events, blue circle for radio-enhanced events, red circle for no radio-enhanced events, black dashed line for linear fitting of all events, and blue dashed line is a linear fit for radio-enhanced events, the red dashed line is a linear fit for no radio enhancement events.

    图 9  DH II型射电暴持续时间与CME速度(a)、质量(b)和动能(c)的相关性, 蓝色圈为有射电增强的事件, 红色圈为无射电增强的事件. 黑色虚线为所有事件的线性拟合, 蓝色虚线为有射电增强事件的线性拟合, 红色虚线为无射电增强的线性拟合

    Fig. 9.  Scatter plot of DH type II radio burst duration and CME speed(a), CME mass(b) and CME kinetic energy(c) for normal events. The blue circle is an event with radio enhancement, and the red circle is an event with no radio enhancement. The black dashed line is a linear fit for all events, the blue dashed line is a linear fit for radio-enhanced events, and the red dashed line is a linear fit for no radio-enhancement events.

    图 10  (a)有射电增强和(b)无射电增强的事件中大SEP、小SEP和无SEP事件所占百分比. 蓝、绿、红分别代表大SEP、小SEP和无SEP事件

    Fig. 10.  Percentage of large SEP, small SEP, and no SEP events with(a) or without(b) radio-enhancement for normal events. Blue, green, and red respectively represent large SEP, small SEP, and no SEP events

    图 11  (a) SEP事件峰值与激波速度的相关关系, 黑色虚线为所有事件的线性拟合, 蓝色虚线为有射电增强事件的线性拟合, 红色虚线为无射电增强的线性拟合. (b)有无SEP事件的激波速度的统计直方图

    Fig. 11.  (a) Scatter plot between SEP event peak and shock speed for normal events. black dashed line is a linear fit for all events, blue dashed line is a linear fit for radio enhanced events, and red dashed line is a linear fit for no radio enhancement. (b) Statistical histogram of shock speed associated with or without SEP events for normal events

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-02-20
  • 修回日期:  2019-04-29
  • 上网日期:  2019-07-01
  • 刊出日期:  2019-07-05

基于射电观测的日冕物质抛射驱动激波的统计特征研究

  • 1. 南京信息工程大学空间天气研究所, 南京 210044
  • 2. 南京信息工程大学滨江学院, 南京 210044
  • 3. 中国科学院暗物质与空间天文重点实验室, 南京 210008
  • 通信作者: 丁留贯, dlg@nuist.edu.cn
    基金项目: 国家自然科学基金天文联合基金(批准号: U1731105)、江苏省基础研究计划面上项目(批准号: BK20171456)、江苏省青蓝工程项目和中国科学院暗物质与空间天文重点实验室开放基金资助的课题.

摘要: 本文基于Wind/WAVES和STEREO/SWAVES等多卫星射电观测资料, 选择第24太阳活动周2007年1月至2015年12月期间77个II型射电暴样本事件, 拟合其激波速度, 分析了激波参数与日冕物质抛射(CME)、耀斑和太阳高能粒子(SEP)等参数的相关关系及变化规律, 并探讨了射电增强对这些关系的影响. 研究结果显示: 1)在II型射电暴十米百米(DH)波段范围起始时刻, 激波高度比CME前沿高度略高一点, 即激波脱体距离(standoff distance)约0.4 Rs, 且这个高度随CME向外传播而增大. 在低日冕和高日冕, 激波脱体距离随CME速度的变化呈现明显相反的规律; 在低高度上, CME速度快, 激波脱体距离大, 而在高高度上, CME速度慢, 脱体距离大. 2)射电增强伴随事件的CME速度明显大于无射电增强事件; 射电增强伴随事件的激波速度与CME质量、动能的相关性明显好于无射电增强伴随事件. 3)有射电增强伴随的II型射电暴DH波段持续时间与CME速度、质量、动能之间无明显相关性, 而无射电增强事件的DH波段持续时间与这三个量之间呈正相关. 4)产生SEP事件的激波速度明显大于未产生SEP事件的激波速度; 有射电增强伴随的II型射电暴(激波)事件产生SEP事件的比例略高于无射电增强事件(73.5% > 67.4%), 但射电增强事件产生大SEP事件(large SEP event)的比例(67.6%)明显高于无射电增强事件(37.2%). 进一步表明, II型射电暴射电增强可作为其驱动源(激波)大概率产生大SEP事件的辨别信号之一.

English Abstract

    • 日冕物质抛射(coronal mass ejection, CME)是太阳活动的重要形式, 能在短时间内将巨大的磁化等离子体和磁通量抛射到太阳风中, 是太阳大气中尺度最大的爆发现象. 典型的 CME 爆发期间所释放的能量约1029—1032尔格, 伴随多个波段电磁辐射增强, 同时会加速产生大量的太阳高能粒子(solar energetic particle, SEP), 如质子、电子和重离子, 能对地球空间环境造成强烈的扰动和危害, 严重威胁航空航天安全.

      在太阳爆发过程中当物质运动速度超过背景Alfvén速度时, 就会在运动物质前沿产生激波(快模激波)[1-4]. 此时, 在射电波段出现剧烈而且短促的流量增强的现象叫做太阳射电暴, 如II型射电暴, 主要是由于激波加速的电子在局地等离子体频率处产生的辐射所引起的, 是用来判断爆发活动是否产生激波的重要依据[5,6]. II型射电暴与日冕激波之间不是充分必要关系. 通常认为, II型射电暴的发生表征着存在日冕激波, 但是反之不一定, 这是由于II型射电暴的产生相对于日冕激波需要更苛刻的物理条件, 比如需要大的压缩比和马赫数[7].

      研究表明, 日冕激波常伴随米波II型射电暴而行星际激波常伴随十米百米(deca-hectometric, DH)波II型射电暴[8,9]. 耀斑或其他源可以在低日冕驱动激波并加速电子[10,11]. Reiner等对17个富射电(radio-rich)事件进行分析研究表明, 由DH波段 II 型射电暴频率漂移计算的激波速度与CME速度呈正相关,而由米波II型射电暴计算的激波速度与CME速度无明显相关[12]. II型射电暴大部分产生于CME驱动激波的前沿,也有部分事件中II型射电暴产生于CME激波的侧翼与冕流相互作用区域. Maia等利用Nancy射电成像仪(NRH)观测分析表明, 米波II型射电暴的源靠近 CME 前沿,且射电源与 CME 具有相同的速度[13]. 同时, 他们也指出米波射电频移通常较弱, 不易被射电频谱仪观测到. Bain利用射电成像及频谱观测研究表明, II型射电暴源处于等离子体团热核的前沿, 但结果显示激波速度大于等离子体团的抛射速度[14]. Reiner 等发现, II型射电暴并不总是产生于激波顶部, 也有可能在激波扫过的高密度冕流区产生[15]. Cho 等人的统计工作和Feng 等人的事例分析都证实了这一点[16-18]. 冕流除了影响 II 型射电暴的产生, 在激波传播过程中也能影响II型射电暴在动态频谱中的形态[18,19]. 由于射电源空间位置不同, 由II型射电频谱反演得到的激波表观速度与其驱动源(如CME)的前沿速度会显示出较大差异[17].

      快速 CME 和慢速 CME 之间发生相互作用会导致II型射电暴的射电增强现象[20]. Gopalswamy等人的研究都显示, 在CME相互作用过程中, II型射电暴增强可作为富太阳高能粒子(SEP-rich)和贫太阳高能粒子(SEP-poor)的重要信号[21]. Ding等人的最新统计结果也进一步应验了Gopalswamy等人的结论. 最近, Al-Hamadani等人对射电增强成因做了比较详细的观测研究, 发现射电增强可分为5类, 他们认为当II型射电暴与CME高度相符时射电增强主要原因是 CME 与先前 CME 或其残留物质发生相互作用, 而II型射电暴高度明显低于 CME 前沿高度情况下的射电增强则是由于 CME 与冕流相互作用形成的[22].

      激波是缓变型 SEP 事件产生的必要条件, 研究高能粒子与激波或CME 属性的关系则是SEP研究的关键问题之一. 太阳高能粒子事件的能量粒子峰值通量与CME的投影速度存在较强的正相关, 但分布比较分散[23]. 此研究中假设CME速度与激波速度相等, 由于激波产生的位置不唯一, 所以与CME速度比一定都相等. 是否产生SEP事件也不能仅依据CME速度. 例如, Shen等人研究就表明, 由于日冕环境差异, 快速CME仅产生较弱的激波且没有产生SEP事件, 伴随较弱持续时间短的II型射电暴; 而另一个慢速CME产生了较强的激波并且产生了SEP 事件, 伴随持续时间较长的较强II型射电暴[24]. 这也显示, 相比CME速度而言, II型射电暴特性可更好地用来判断SEP事件的产生与否. Gopalswamy等人的统计结果显示绝大部分伴随跨越米波-百米波的II型射电暴与SEP事件相关, 而少部分无SEP事件伴随的事件可能和源区与地球磁联接不好有关[25]. Winter等人研究也表明所有峰值大于15 pfu的大SEP事件全部伴随DH II型射电暴[26]. 此外, 有研究表明, 存在少数较小的SEP事件观测不到明显的II型射电暴伴随[27]. 由于源区位置的原因, 多卫星多经度联合SEP观测和射电观测可在一定程度上降低由于磁联接不好而造成的事件遗漏情况.

      本文主要对2007年至2015年期间的77个DH II型射电暴的频谱结构进行拟合, 结合II型射电暴增强, 分析激波与CME、SEP等相关参数的关联, 从而探索II型射电暴及射电增强信号在研究激波加速高能粒子过程中的作用.

    • 本文基于CDAW数据库(https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list/radio/waves_type2.html) Wind/WAVES DH II型射电暴列表, 根据II型射电暴频谱强度及持续时间, 结合Wind/WAVES和STEREO/SWAVES频谱观测图像, 根据可清晰辨别出II型射电暴频谱形态结构为标准筛选出第24太阳活动周以来(2007年至2015年)的81个DH II型射电暴候选事件. 事件对应CME速度、质量、动能、耀斑等级等相关参数均取自CDAW数据库.

      本文中太阳高能粒子数据主要采用25—60MeV的高能质子数据, 数据来源于SOHO/COSTEP EPHIN[28]和STEREO-A(B)/HET[29]. 在处理SEP事件强度时, 我们采用文献[21]和文献[30]中的方法进行处理, 修正后的SOHO EPHIN通量峰值与STEREO-A(B)HET通量峰值中取最大值作为SEP事件的强度, 并选择0.0114(cm2·s·sr·MeV)–1作为SEP事件的判断标准.

    • 根据II型射电暴频谱结构, 基于不同日冕密度模型, 对所有II型射电暴进行拟合, 反演得到II型射电暴对应驱动源激波的速度. 本文主要采用文献[31] Vršnak和文献[32] SPM两种密度模型进行拟合. 如基频和谐频同时出现, 选取基频作为拟合对象. 根据II型射电暴的起始时间和太阳爆发时间, 确定与射电暴发对应的CME及耀斑. 通过选择不同密度模型和不同密度倍数, 确定与CME速度最为匹配的激波速度[33-35].

      图1为典型的II型射电暴事例. 图1(a)(c)分别为2013年10月25日和2014年08月28日观测到的II型射电暴频谱, 基于Vršnak密度模型和SPM密度模型及频率与日冕密度关系, 分别对事例中的频谱漂移进行拟合, 假定在拟合高度内激波速度为常数(即线性拟合), 图中白色虚线为最佳拟合结果. 图1(b)、(d)为基于密度模型假设拟合得到的激波高度-时间变化曲线, 红色点为与激波对应的CME前沿高度-时间数据, 黑色实线为其线性拟合. 图1(b)中绿色实线为选取2倍Vršnak密度模型拟合的结果, 图1(d)中蓝色实线为选取2倍SPM密度模型拟合的结果, 可以看出此时拟合的激波速度和其对应CME速度符合较好. 而这两个事例采用另外一种密度模型则得不到较合理的结果, 即激波高度时间曲线和CME高度时间曲线有交叉, 或激波高度远小于CME高度. 对于正常产生于激波前端的II型射电暴而言, 考虑到频率宽度和拟合误差等因素, 激波高度应该和CME前沿高度差不多或略高一点较为合理. 对于少部分产生于激波侧翼的II型射电暴而言, 拟合的激波高度则整体比CME前沿高度低; 在利用不同密度模型拟合时, 得不到与CME速度和高度符合的拟合结果或只能得到较低的激波径向拟合速度. 对于这部分事例另外分析, 本文不做讨论.

      图  1  典型II型射电暴频谱图及所采用不同密度模型拟合激波高度-时间变化图

      Figure 1.  Spectrum diagram of a typical type-II radio burst and the linear fitting results of spectrum with different coronal density model

      在判别II型射电暴有无射电增强方面, 我们参照文献[20]和文献[21]的射电增强事例, 采用人工识别方法判断II型射电暴有无明显射电增强, 并结合在此增强时间内有无相邻CME相互作用进行甄别. 如图1(c)中显示II型射电暴在持续时间内射电暴频谱有明显增强现象.

    • 如一个II型射电暴在Wind/WAVES和STEREO/SWAVES同时被观测到, 我们选取拟合速度与CME速度最接近的那一个作为此事例的激波速度. 所有81个候选事件的拟合激波速度与相应CME速度的关系如图2. 图2(a)为所有候选事件拟合激波速度与CME速度之间的关系. 从所有事件的分布来看, 有4个事件的拟合速度明显低于CME速度(异常事件), 而绝大部分事件的拟合速度基本等于或大于CME速度(正常事件). 我们对速度符合较好的事件进行线性拟合, 相关系数为0. 99, 线性拟合(蓝色实线)斜率为0. 99, 整体略高于1: 1线(黑色虚线), 符合激波速度接近CME速度而激波前沿高度略高于CME前沿速度的事实. 如考虑4个异常事件, 则相关系数降为0. 93, 线性拟合线与1: 1线交叉. 图2(b)为II型射电暴持续时间内拟合激波速度与CME速度差的分布图, 4个异常事件和正常事件均值分别为–662.75 km/s和47.7 km/s, 表明本研究中正常事件的激波速度平均比CME速度快约48 km/s.

      图  2  (a) 81个候选事件拟合激波速度与CME速度之间的关系. 蓝色圈代表激波速度与CME速度相符事件, 红色三角代表拟合激波速度远小于CME速度事件, 黑色实线是所有事件的线性拟合, 蓝色实线是所有相符事件的线性拟合; (b)拟合激波速度与CME速度之差的统计直方图

      Figure 2.  (a) Scatter plot of fitting shock speed and CME speed for all 81 candidate events. The blue circle represents the shock speed coincides with the CME speed event, the red triangle represents the events that the fitting shock speed is much smaller than the CME speed, the black solid line is the linear fit of all events, and the blue solid line is the linear fit of all 77 coincident or normal events. (b) Distribution of the speed difference between shock speed and CME speed.

      一般而言, II型射电暴的起始频率平均为99 MHz, 起始高度平均在1.8 Rs左右(以起始时刻CME高度计算)[25]. Mittal等对DH II型射电暴的起始频率统计, 其中85%的事件起始频率处于1—14 MHz之间, 平均约为11 MHz, 起始高度2.2—4.5 Rs[36]. 本文所选研究对象为DH波段的II型射电暴, 起始频率最高只能识别到16 MHz, 对于部分起始于米波波段的事例可能存在起始时刻偏晚或起始频率偏低的情况. 参考Mittal等的统计结果, 这部分事例最多占15%左右, 对本文的统计分析不会产生很大的影响. 本文中选择II型射电暴在DH波段的开始时刻作为该射电暴的起始时刻.

      图3(a)为所有事件II型射电暴起始时刻激波高度随CME高度变化关系, 相关系数为0. 81. 蓝色圈是正常事件, 红色三角圈是异常事件. 若只考虑正常事件, 相关系数为0.92. 从线性拟合来看, 拟合线非常接近于1:1线, 表明激波高度与CME高度相当, 这一结果与文献[21]的研究结果一致. 由图3(b)可以看出, 正常事件中激波平均起始高度略高于CME高度(0.43 Rs), 此结论符合CME鼻区前沿驱动激波的物理图像, 此高度差即为激波脱体距离(standoff distance). 而异常事件的平均高度差为–3.5 Rs, 也就是说激波产生II型射电暴的高度低于CME前沿高度, 这种情况通常在激波与冕流相互作用时发生[16-17]. 结合拟合激波速度和起始高度与CME速度和高度的差异, 我们后面的分析中暂不考虑异常事件.

      根据以上方法我们选取了共77个拟合激波速度、起始高度与CME相符的事例作为以下统计研究的样本事件. 其中, 伴随射电增强的事件有34个, 无射电增强的事件有43个; 产生SEP事件的有54个, 无SEP事件伴随的有23个. 下面我们主要基于这些样本事例分析射电增强与否对激波属性与CME的关联、激波加速SEP等的影响.

      图  3  所有候选事件DH II型射电暴起始时刻激波高度与CME高度之间的关系. (a)蓝色圈是正常事件, 红色三角是异常事件, 黑色实线是所有事件的拟合线, 蓝色实线是正常事件起始高度的拟合线, 黑色虚线斜率为1. (b) DH II型射电暴起始时刻激波高度与CME高度差的直方图, 蓝色条为正常事件, 红色条为异常事件

      Figure 3.  Scatter plot of shock height and CME height at the onset of type IIs radio burst for all 81 candidate events. (a) The blue circle is a normal event, the red triangle is an abnormal event, the black solid line is the fitted line for all events, the blue solid line is the fitted line for the normal event start height, and the black dotted line slope is 1. (b) histogram of the difference between the shock height and the CME height at the start of the type IIs radio burst. The blue bar is a normal event and the red bar is an abnormal event.

    • 图4(a)显示激波速度和CME速度的关联, 可以看到射电增强与否对于这两者之间的相关性无明显的影响. 射电增强与无射电增强事例的激波-CME速度相关系数分别为0.993和0.986, 相关性非常高, 且拟合直线的斜率分别为0.95和1.04. 这个关系说明CME驱动激波主要是由于CME速度和周围等离子的Alfvén波速度确定的, 且激波速度基本与CME速度基本相当; 而射电增强表明激波强度增加, 这与周围等离子体环境有关, 产生射电辐射的源增强, 不影响激波的速度. 图4(b)显示了射电增强事件与无射电增强事件的CME速度差异. 射电增强事件的CME平均速度为1316.47 km/s, 而无射电增强事件的CME平均速度为919.02 km/s, 两者表现出明显的差异. 结果表明, 在有II型射电暴产生的CME中, 有射电增强的CME速度通常大于无射电增强的CME, 或速度快的CME更容易产生II型射电暴增强, 这与文献[21]的研究结果一致.

      图  4  有无射电增强对激波速度与CME速度关系的影响

      Figure 4.  Difference between groups of radio enhancement and of no radio enhancement on shock speed and CME speed for normal events

      图5显示了DH II型射电暴起始时刻激波高度和CME前沿高度的分布. 可以看到开始产生II型射电暴的高度主要分布在10 Rs以下. 有射电增强事件的激波起始高度平均为5.09 Rs, 而无射电增强事件的激波起始高度平均为3.81 Rs. DH II型射电暴起始时刻, 有射电增强的CME前沿高度均值为4.41 Rs, 而无射电增强为3.58 Rs, 与Mittal等的统计结果2.2—4.5 Rs相符[36]. CME高度低于激波高度, 符合CME驱动激波在鼻区产生II型射电辐射的图像. 结果显示, 有无射电增强情况加, 激波起始高度存在表达差异, 射电增强事件的激波起始高度通常大于无射电增强事件.

      图  5  DH II型射电暴起始时刻(a)激波高度和(b) CME前沿高度的统计直方图. 蓝色为有射电增强的事件, 红色为无射电增强的事件

      Figure 5.  Statistical histogram of the shock height and the CME leading edge height at the start time of DH type II radio bursts for normal events. Blue is an event with radio enhancement, and red is an event with no radio enhancement.

      激波面至CME前沿之间的区域为鞘层, 它们之间的距离称之为激波脱体距离[33], 如图3中的HshockHCME可用来表示这个距离. 为了进一步研究激波脱体距离随CME高度变化关系, 我们选取了五个CME高度3.5 Rs、4.0 Rs、5.0 Rs、10 Rs、15 Rs, 分析这几个高度上激波脱体距离的变化规律. 其中, 激波高度和CME高度均根据高度时间拟合线计算得到. 图6(a)显示了不同速度区间内平均脱体距离的分布. 结果显示, 在每个CME速度区间内, 激波脱体距离基本随CME高度变大而变大. 但激波脱体距离随CME速度变化关系则在低高度和高高度上出现截然相反的变化规律, 在较小的CME高度上(如3.5 Rs、4 Rs、5 Rs), CME速度越大, 脱体距离越大; 而当CME到达较大高度时(如10 Rs、15 Rs), 速度较慢的CME对应的激波脱体距离反而越小, 这与Mujiber Rahman等对行星际1 AU处的激波脱体距离的研究结果一致[37]. 当然, 激波脱体距离不仅跟CME的速度有关, 还跟激波的压缩比、马赫数、等离子体比热等有关. 图6(b)显示了不同CME高度上激波脱体距离的变化. 可以看出, 随着CME高度越高, 激波脱体距离越大, 当到达行星际1 AU附近时, 这个平均距离可达到29 Rs左右[37].

      图  6  激波脱体距离随CME高度变化统计图

      Figure 6.  The histogram of the standoff distances as a function of CME heights

      图7(a)为DH II型射电暴对应激波速度与CME质量的相关关系. 激波速度和CME质量呈正相关, 相关系数为0.65; 其中对于射电增强事件, 相关系数明显高于无射电增强事件(0.74 > 0.51). 图7(b)为DH II型射电暴对应激波速度与CME动能的相关关系. 激波速度与CME动能之间存在很强的正相关, 相关系数达到0.9. 对于有射电增强的事件, 其相关系数略高于无射电增强的事件(0.91 > 0.85). 从统计结果可以看出, 激波速度与CME质量、动能之间都存在明显的正相关关系, 但与动能的相关性明显高于质量. 也就是说, CME质量和动能两者中, CME动能更能决定其驱动激波的速度. 总体而言, CME质量越大、动能越大就越容易产生速度快的日冕激波. 此外, 有射电增强事件中的激波速度与CME质量、动能的相关性都明显高于无射电增强的事件.

      图  7  (a)激波速度与CME质量的相关性, (b)激波速度与CME动能的关系. 蓝色圈为有射电增强的事件, 红色圈为无射电增强的事件, 黑色虚线为所有事件的拟合线, 蓝色虚线为有射电增强事件的线性拟合, 红色虚线为无射电增强事件的线性拟合

      Figure 7.  Scatter plot of shock speed and CME mass、kinetic energy for normal events. The blue circle is an event with enhanced radio enhancement, the red circle is an event with no radio enhancement, the black dotted line is the fitted line for all events, the blue dashed line is a linear fit result for radio-enhanced events, and the red dashed line is a linear fit result for no radio-enhanced events.

      图8显示了激波速度与耀斑等级的相关性. 所有事件激波速度和耀斑等级的相关系数为0.47, 有射电增强的为0.49, 无射电增强的为0.32. 可以看出, 激波速度与对应CME爆发伴随耀斑的等级之间呈现弱相关, 明显低于与CME速度、质量、动能的相关性. 这也从另一个方面显示了本文所分析II型射电暴对应的激波都是由CME驱动的.

      图  8  激波速度与耀斑等级的相关性, 蓝色圈为有射电增强的事件, 红色圈为无射电增强的事件, 黑色虚线为所有事件的线性拟合, 蓝色虚线为有射电增强事件的线性拟合, 红色虚线为无射电增强的线性拟合.

      Figure 8.  Scatter plot between shock speed and flare class for normal events, blue circle for radio-enhanced events, red circle for no radio-enhanced events, black dashed line for linear fitting of all events, and blue dashed line is a linear fit for radio-enhanced events, the red dashed line is a linear fit for no radio enhancement events.

    • 图9显示了II型射电暴在DH波段内的持续时间与CME速度、质量、能量的关系, 其中持续时间是指在DH波段内II型射电暴从开始到最后结束的时间间隔. 需要说明的是, 如果II型射电暴开始于米波波段, 则本文中持续时间将比II型射电暴的实际持续时间要短一些. 从图9中可以看出, 射电暴持续时间与CME的三个参数之间无明显的相关性, 相关系数仅为0.41、0.39、0.33. 这与Mittal等的统计结果类似[36], 但若按有无射电增强对事件进行分类, 则相关关系呈现明显的差异. 有射电增强的事件II型射电暴持续时间与CME速度、质量、能量呈弱的负相关或无明显相关, 而无射电增强的事件的II型射电暴持续时间与CME速度、质量、能量之间呈现正相关, 相关系数分别为0.50、0.44和0.55. 一般而言, CME速度越快、质量越大、动能越大, 其驱动激波所激发的II型射电暴的持续时间也就越长, 正如图中无射电增强事件显示的关系. 而若存在射电增强, 则由射电增强的机理可知在CME传播的过程中存在与其他CME相互作用的可能[21]. 由于与其他CME的相互作用, 从而改变了射电持续时间与CME速度、质量、动能的关系, 变得无明显相关.

      图  9  DH II型射电暴持续时间与CME速度(a)、质量(b)和动能(c)的相关性, 蓝色圈为有射电增强的事件, 红色圈为无射电增强的事件. 黑色虚线为所有事件的线性拟合, 蓝色虚线为有射电增强事件的线性拟合, 红色虚线为无射电增强的线性拟合

      Figure 9.  Scatter plot of DH type II radio burst duration and CME speed(a), CME mass(b) and CME kinetic energy(c) for normal events. The blue circle is an event with radio enhancement, and the red circle is an event with no radio enhancement. The black dashed line is a linear fit for all events, the blue dashed line is a linear fit for radio-enhanced events, and the red dashed line is a linear fit for no radio-enhancement events.

    • 为验证射电增强是否与SEP事件有关, 我们对有无射电增强情况下SEP事件的伴随情况进行了统计, 如图10. 图10(a)为34个有射电增强的事件, 其中大SEP事件占67.60%, 小SEP事件占5.90%, 无SEP事件伴随的占26.50%. 图10(b)为43个无射电增强的事件, 其中大SEP事件占37.20%, 小SEP事件占30.2%, 无SEP事件占32.6%. 统计结果显示, 不管是有射电增强还是无射电增强, 有II型射电暴的伴随的CME产生SEP事件的比例都达到60%以上. 这可以理解为, II型射电暴的发生反映有激波产生, CME一旦驱动形成激波就很容易加速粒子产生SEP事件. 单从产生SEP的角度看, 有射电增强和无射电增强无明显差别. 但是, 如果看大SEP时间的产生比例, 则有射电增强的事件中产生大SEP事件的比例约为无射电增强事件的两倍. 这一结果表明, 有射电增强的II型射电暴事件更容易有大SEP事件伴随, 其驱动的激波更容易加速产生大的SEP事件, 这一结论与文献[13]的一致. 这可以理解为, 伴随射电增强的事件其驱动的激波更强, 且射电增强经常在与其他CME(如先行CME)相互作用时产生, 具有更多的种子粒子, 自然也就更容易加速产生大SEP事件.

      图  10  (a)有射电增强和(b)无射电增强的事件中大SEP、小SEP和无SEP事件所占百分比. 蓝、绿、红分别代表大SEP、小SEP和无SEP事件

      Figure 10.  Percentage of large SEP, small SEP, and no SEP events with(a) or without(b) radio-enhancement for normal events. Blue, green, and red respectively represent large SEP, small SEP, and no SEP events

      图11(a)为SEP事件通量峰值与激波速度的相关关系, 两者呈现正相关. 所有事件、有无射电增强事件的相关系数分别为0.65、0.68、0.47. 图11(b)为有无SEP事件的激波速度分布情况, 产生SEP事件的激波平均速度(1234.13 km/s)明显大于未产生SEP事件的激波速度(926.43 km/s). 这一结论表明, 有II型射电暴伴随的CME爆发, 其驱动的激波速度越快, 就越容易产生SEP事件.

      图  11  (a) SEP事件峰值与激波速度的相关关系, 黑色虚线为所有事件的线性拟合, 蓝色虚线为有射电增强事件的线性拟合, 红色虚线为无射电增强的线性拟合. (b)有无SEP事件的激波速度的统计直方图

      Figure 11.  (a) Scatter plot between SEP event peak and shock speed for normal events. black dashed line is a linear fit for all events, blue dashed line is a linear fit for radio enhanced events, and red dashed line is a linear fit for no radio enhancement. (b) Statistical histogram of shock speed associated with or without SEP events for normal events

    • 本文结合多卫星观测资料, 主要分析了第24太阳活动周2007年1月至2015年12月能在射电频谱观测上清晰识别出II型射电暴的77个事件. 采用Vršnak和SPM密度模型对II型射电暴进行拟合, 计算其对应激波速度. 通过分析激波参数与CME、SEP参数的相关关系, 探讨射电增强对他们的影响. 主要得到以下结论:

      1)由DH波段II型射电暴计算的激波速度与CME速度强相关, 此结果与Reiner等的一致[12], 但相关系数更高. 激波速度比CME速度略快. 在II型射电暴起始时刻, 激波高度比CME前沿高度略高一点, 此时激波脱体距离约0.4 Rs. 激波脱体距离在低日冕和高日冕、行星际呈现截然相反的规律: 在低高度范围, 激波脱体距离基本随CME速度增加而增大; 而当CME传播到较高范围时, 激波脱体距离反而是在CME速度越较慢时较大, 此结论与Mujiber Rahman等人1 AU附近的研究规律一致. 此外, 结果显示激波脱体距离随CME高度增加而增加.

      2)射电增强事件对应激波的速度和起始高度明显高于无射电增强事件; 射电增强事件的激波速度与CME质量、动能的相关关系明显好于无射电增强伴随的事件.

      3)相比射电增强事件, 无射电增强事件的II射电暴持续时间与CME速度、质量、动能之间呈现正相关. 这可能与射电增强因素(如CME相互作用等)的干扰有关.

      4)统计结果显示II型射电暴事件产生SEP事件的比例达到60%以上; 其中, 射电增强伴随的II型射电暴(激波)事件更容易产生大SEP事件. 表明, 射电增强信号反映出实例中的激波更强, 其加速粒子的能力更强, 与其相互作用的CME可提供更多的种子粒子, 自然粒子加速效率更高, 更容易产生大SEP事件. 这与文献[21]的结论一致. 结论表明, II型射电暴的射电增强可作为其驱动源激波大概率产生大SEP事件的一个信号.

      感谢CDAW数据库(https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list/radio/waves_type2.html)提供了DH II型射电暴、CME和耀斑的相关数据, https://cdaweb. sci.gsfc.nasa.gov/index.html/网站提供了Wind/WAVES、STEREO/SWAVES频谱观测图像和STEREO/HET仪器数据, http://www.ieap.uni-kiel.de/et/ag-heber/costep/ data.php网站提供了SOHO/EPHIN仪器数据.

参考文献 (37)

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