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--> --> --> -->2.1.数据源
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.
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2.2.II型射电暴处理方法
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] Vr?nak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Vr?nak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Vr?nak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
Figure1. 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.
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2.3.事件筛选
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
Figure2. (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
Figure3. 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.
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3.1.激波速度与CME参数的关系
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
Figure4. 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
Figure5. 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Hshock–HCME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
Figure6. 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
Figure7. 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.
Figure8. 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.
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3.2.DH II型射电暴持续时间分析
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
Figure9. 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.
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3.3.太阳高能粒子分析
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
Figure10. 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
Figure11. (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