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--> --> -->CME爆发驱动激波加速粒子能产生太阳高能粒子(solar energetic particle, SEP)事件. 普遍认为SEP有两种不同的加速源: 耀斑加速[2]和CME激波加速[3,4], 分别称之为脉冲型SEP事件和缓变型SEP事件. 也有研究认为耀斑加速和CME激波加速在部分大SEP事件中都起作用, 并称这类事件为混合型事件[5,6], 且这类混合型事件往往具有脉冲型事件的观测特点[7,8]. Kahler的研究表明, 缓变型SEP事件的能量粒子峰值通量与CME的投影速度呈较强的正相关, 但同一速度区间CME产生的SEP事件强度跨越几个量级[2]. 早期部分研究认为, 耀斑加速可能在缓变型SEP事件的通量上升上占主导地位[8,9]. Le等[10,11]近期的研究结果表明, CME激波加速主要贡献在低能量段, 而高能量段(如 > 30 MeV)主要由耀斑加速产生, 高能段的粒子强度与耀斑软X射线强度比CME速度具有更高的相关性. Wu和Qin[12]通过能量谱参数分析显示, 地面水平增强(groud level enhancement, GLE)事件明显可分为两类: 激波加速和非明显激波加速. 此后, Zhao等[13,14]的研究也进一步表明, 部分GLE事件中GeV量级的相对论高能粒子是由耀斑加速产生的. 耀斑加速的部分粒子可被CME激波继续加速[13]. Mason等[15,16]提出CME驱动的激波速度和种子粒子(seed population)可能是决定SEP事件强度的两个重要因素. 种子粒子可能来自耀斑或先前的CMEs[17-19].
除CME速度外, CME驱动激波的强弱是判断能否产生SEP事件的另一个重要因素. 研究显示驱动激波的强弱并不仅仅与CME速度有关. 如Shen等[20]的研究显示, 慢速CME可驱动较强激波并产生SEP事件, 同时伴随长时间II型射电暴, 而快速CME仅能驱动较弱的激波且未能产生SEP事件, 同时只伴随较短时间II型射电暴. Gopalswamy等[21]的统计结果表明大部分伴随跨越米波-百米波的II型射电暴与SEP事件相关. 近年来, Winter和Ledbetter[22]的统计结果表明, 大SEP事件(峰值通量大于15 pfu)普遍伴随十米-百米(deca-hectometric, DH)波段II型射电暴, 进一步也表明, II型射电暴(激波强弱)特性可作为判断CME能否产生SEP事件的重要标志.
普遍认为II型射电暴射电增强主要由CME-CME相互作用产生, 但也不是所有的CME-CME相互作用都能产生II型射电暴增强. Gopalswamy等[23]的研究表明, 快速CME追赶慢速CME, 合并过程发生相互作用可导致II型射电暴射电增强; 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[17]. Ding等[24]在研究CME相互作用与SEP事件关系时发现, 主CME前沿追赶上先行CME后沿的时间恰好与射电增强开始时间及SEP近太阳附近起始释放时间基本一致. 此后, Ding等[25]的统计结果进一步显示伴随射电增强的CME更容易产生SEP事件. Al-Hamadani等[26]的研究表明: 当II型射电暴形成高度明显低于CME前沿高度时, 射电增强成因可能是CME与冕流相互作用; 而II型射电暴形成高度与CME前沿高度相当时, 射电增强主要是CME与相同或者相邻源区的先行CME或其残留物质发生相互作用引起的.
本文主要对2007年至2015年期间的82个II型射电暴的频谱结构进行拟合, 结合有无SEP以及II型射电暴射电增强与否, 进一步分析II型射电暴(激波)与CME, SEP相关参数的关联, 从而研究II型射电暴及射电增强信号与SEP事件的关联.
2.1.数据来源
本文主要基于CDAW数据库Wind/WAVES DH II型射电暴列表①, 结合Learmonth, YNAO②以及BIRS③等地面站的米波射电观测与Wind/WAVES和STEREO/WAVES的DH波段频谱观测图像, 筛选出2007年1月至2015年12月82个可清晰辨别出II型射电频谱形态结构的射电暴事件. CME观测数据来源于SOHO/LASCO C2, C3[27], II型射电暴事件对应爆发活动伴随的CME参数均取自CDAW数据库, 耀斑等级、活动区位置信息取自CDAW, LMSAL④和SolarMonitor.org⑤.太阳高能粒子数据主要采用能量为25—60 MeV的高能质子通量数据, 数据来源于SOHO/COSTEP EPHIN[28]和STEREO-A(B)/HET[29]. 此外, 本文采用参考文献[25,30]中的方法和标准, 以0.0114 (cm2·s·sr·MeV)–1作为大SEP事件的判断标准; 并取SOHO与STEREO-A(B)中通量峰值最大值作为该事件的强度. 太阳高能粒子近太阳附近起始释放时刻的估算采用速度离散分析方法(velocity dispersion analysis, VDA)[6,31-33]. 假设SEP沿行星际磁力线无散射传播, 则能量为E的粒子在近太阳附近的起始释放时间
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2.2.处理方法
本文在判断II型射电暴有无明显射电增强方面, 采用文献[23,25]中的方法, 即对II型射电暴频谱进行人工识别判断有无明显射电增强, 并结合日冕观测视频, 判断该事件对应CME有无相同或相邻源区CME爆发, 以及射电增强时间内二者有无相互作用. 本文判断CME相互作用主要依据两个CME在SOHO和STEREO观测视界中投影传播方向是否基本一致, 且CME前沿高度-时间轨迹曲线是否有交叉, 即保证后一个快速CME是否能追赶上前一个慢速CME. 基于Newkirk[34], Vr?nak[35]和SPM[36]三种日冕密度模型分别对米(M)波和DH波II型射电暴频谱进行拟合, 反演得到II型射电暴对应激波速度. 基于II型射电辐射最大概率发生在激波前沿的假设, 通过选择适合的密度模型及密度倍数, 确定与CME速度最相符的激波速度[37-39]. 如有II型射电暴事件在Wind/WAVES和STEREO/WAVES同时被观测到, 则选取拟合速度与CME速度最接近的那一个作为此事例的激波速度. 对射电增强区域拟合时, 选取该事件非增强区域拟合时所采用的日冕密度模型, 并假设射电增强最大概率发生在激波前沿[40], 从而确定密度模型倍数.此外, 根据射电增强II型射电暴对应CME(称为主CME, 记为CME2)的爆发时间、源区位置、耀斑爆发时间等, 筛选来自相同或者附近活动区的24 h内所有先行CME[41], 判断可能与CME2发生作用而引起II型射电暴增强的先行CME(记为CME1)[26]. 本文假定射电增强主要起因于CME-CME相互作用[23,42].
图1为II型射电暴射电增强和无射电增强的典型事例. 图1(a)为2013年5月22日的II型射电暴频谱, 显示II型射电暴在持续时间内射电频谱有明显增强现象(时间约为14:02—17:10, 频率约为1.98—0.34 MHz, 高度约为11.4—38.1 Rs, CME2与CME1前沿轨迹相遇时间约为16:30, 见文献[24]). 该事例基于Vr?nak密度模型及频率与日冕密度的关系, 分别采用4倍和4.5倍Vr?nak密度模型对事例中的频谱非增强区和增强区进行拟合. 图1(c)为2012年4月15日的II型射电暴频谱, II型射电暴持续时间很短(时间约为02:37—02:53, 频率约为6.6—3.0 MHz, 高度约为3.9—5.7 Rs). 该事件拟合时采用1倍Vr?nak密度模型, 且存在CME-CME相互作用, CME2(前沿轨迹)追赶上CME1的时间约为04:40, 但没有出现射电增强. 本文采用文献[43]的方法, 假定在拟合高度内激波速度为常数(即线性拟合). 图1(a)和(c)中白色紫色虚线为II型射电暴(非增强区域)和射电增强区域对应的拟合结果. 图1(b)和(d)为基于日冕密度模型拟合得到的激波高度-时间变化曲线, 黑色虚线和实线分别为CME1和CME2高度-时间线性拟合, 绿色和紫色实线分别为II型射电暴非增强区和增强区的拟合结果. 由图1可以看出, 拟合的激波速度与CME速度、射电增强时间和高度与CME相互作用时间和高度等符合较好. Newkirk密度模型不适用于图1中DH波段低频拟合; 若采用SPM密度模型, 则CME前沿高度-时间曲线与反演的激波高度-时间曲线发生交叉, 或者激波高度明显小于CME前沿高度, 这与本文假设不符. 对于正常产生于CME激波前端的大部分II型射电暴事件而言[44], 拟合激波高度应该约等于或稍高于CME前沿高度较为合理. 而对于少部分产生于激波侧翼的II型射电暴[45-49]而言, 拟合的激波高度则整体比CME前沿高度低, 且只能拟合得到较低的激波速度.
图 1 (a, c)有射电增强和无射电增强的II型射电暴频谱图; (b, d) CME1, CME2及拟合激波高度-时间变化图Figure1. (a, c) Spectrum diagram of a type II radio burst with and without enhancement; (b, d) the height-time profile of CME1, CME2 and its shock.
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3.1.CME, 耀斑, SEP事件属性
图2为所选样本事件对应的CME的速度、质量、动能和耀斑等级统计直方图. 统计结果显示, 射电增强事件的CME速度、质量、动能和耀斑等级均值分别为1368 km/s, 1.6 × 1016 gram, 2.0 × 1032 erg和M8.6, 而无射电增强事件的均值分别为895 km/s, 8.1 × 1015 gram, 4.8 × 1031 erg和M5.3. 显然, 伴随射电增强的II型射电暴事件对应的CME速度、质量、动能和耀斑等级等明显高于无射电增强事件, 即伴随射电增强的II型射电暴事件对应的CME通常具有更高的能量, 爆发更剧烈.
图 2 CME速度、质量、动能和耀斑统计直方图. 蓝色为有射电增强事件(Group I), 红色为无射电增强事件(Group II)Figure2. Histogram of CME velocity, mass, kinetic energy and flare class. Blue denotes radio enhancement events (Group I), and red denotes no enhancement events (Group II).
图3为II型射电暴伴随的SEP事件峰值通量统计. 由图3可知, 射电增强事件的SEP峰值普遍高于0.01 (SEP通量单位为(cm2 s sr MeV)–1), 最大峰值超过100, 均为大SEP事件, 即大于0.0114. 无射电增强事件的SEP峰值分布在10–4—10, 绝大部分事件峰值小于1. 比较二者可以看出, 有射电增强事件伴随的SEP峰值通量普遍较大, 且明显高于无射电增强事件, 也就是说有射电增强的II型射电暴对应太阳爆发具有更高的大SEP事件产生概率.
图 3 SEP事件峰值通量统计直方图Figure3. Statistical histogram of SEP peak intensity.
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3.2.射电增强与SEP事件
为深入了解射电增强事件和无射电增强事件与SEP事件产生之间的关联, 对样本事件进行分组来讨论CME属性之间差异以及与SEP事件之间的关联(图4), 由图4可知, 无论有无射电增强, 产生SEP事件的CME速度、质量、动能等明显高于无SEP事件的. 在有射电增强的事件中, 无SEP事件对应的CME速度、质量、动能普遍偏小(低速、低质量、低动能), 而产生SEP事件的CME速度、质量、能量普遍偏大(速度 > 1000 km/s, 质量 > 1016 g, 动能 > 1032 erg, 高速、高质量、高动能). 无射电增强事件中, 产生SEP事件的CME速度、质量、动能等也明显高于不产生SEP事件的CME.
图 4 CME速度、质量、动能与SEP事件关联的统计直方图. 蓝色是有SEP事件, 红色是无SEP事件Figure4. Histogram of CME velocity, mass, kinetic energy with SEP/No SEP, and blue denotes the events with SEP, and red denotes the events without SEP.
对比图4中Group I和II可知, 有或无射电增强, 产生SEP事件的CME比不产生SEP事件的CME具有更高的速度、质量和动能. 相对于无射电增强事件, 无论产生SEP与否, 有射电增强事件的CME具有更高的能量. 无论有无射电增强, 产生SEP事件的CME通常比同情形下无SEP产生的CME具有更高的能量. 也就是说, 不管射电增强与否, CME若要产生SEP事件, 都需要具有较高的速度、质量、能量.
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3.3.特征时间分析
为了进一步研究射电增强是否与SEP事件产生有关, 本研究组分析了射电增强开始时间与高能粒子起始释放时间的先后顺序. 图5为有射电增强事件中的SEP事件, 以每个事件的SEP近太阳附近起始释放时刻作为参考点0, II型射电暴及射电增强开始、结束时刻和SEP的峰值时刻与参考点之差的统计分布图. 结果显示, 除了一个事件外, 所有事件的II型射电暴开始时间都早于SEP起始释放时间, 即所有高能粒子都是在激波产生(假设以II型射电暴开始为标志)之后一段时间内开始释放或产生的. 除4个事件的射电增强开始时间在SEP起始释放时刻之前外, 其余26个事件射电增强都是在SEP起始释放之后才开始, 这表明绝大部分事件中高能粒子在射电尚未增强之前就已经产生. 特别地, 有一个事件的射电增强开始、结束时间都在SEP起始释放时刻(参考值0)之前. T1, T2, T3, T4, T5的均值分别为–60.8, 281.5, 50.7, 256.7, 546.2 min. 通过对比T1(–60.8 min), 0(SEP起始释放时刻), T3(50.7 min)可以看到: 首先, CME驱动激波并产生II型射电暴; 其次, 经过一段时间加速, 粒子产生SEP并向外释放, 这一过程通常在激波产生后不久就开始发生; 此后, 较强的高能量CME与先行CME或残余物质发生作用, 并伴随射电增强, 这一过程通常在SEP产生之后, 也就是发生在较高高度范围内. 若考虑传播路径长度假设带来的误差, 可选取更长的粒子传播路径(如1.7 AU), 结果表明绝大部分II型射电暴(25/30)的起始时间仍早于粒子起始释放时间, 与上述结论基本一致.
图 5 以SEP事件起始时刻作为参考点0, 各时间点与参考点之差的统计直方图. II型射电暴起始(T1红色)和结束时刻(T2蓝色)、射电增强起始(T3紫色)和结束时刻(T4绿色)、SEP峰值时刻(T5灰色)Figure5. Uses the starting moment of the SEP events as the reference point (0), histogram of the difference between type II radio burst start /stop time(T1/T2), radio enhancement start/stop(T3/T4), SEP stop time(T5) and the reference point respectively.
通过对比射电增强开始时刻T3(50.7)、结束时刻T4(256.7)与SEP起始释放时刻(参考值0)、SEP峰值时刻T5(546.2), 发现大部分事件射电增强持续时间段在SEP事件起始释放至峰值这段时间内.
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3.4.II型射电暴开始、结束高度
1)有射电增强伴随图6为射电增强事件, 图6(a)和图6(b)分别为II型射电暴起始、结束高度区间均值随CME速度的变化关系; 图6 (c)和图6(d)分别为II型射电暴起始、结束高度的统计分布, 红色为无SEP事件, 蓝色为有SEP事件. 从图6(a)可以看出, 无SEP事件的CME速度全部小于1500 km/s, 且II型射电暴起始高度均值随CME速度增大而逐渐下降; 有SEP事件的CME速度全部大于500 km/s, II型射电暴开始高度均值小于6 Rs. 图6(c)显示有SEP事件产生的II型射电暴开始高度略低于无SEP事件产生的II型射电暴开始高度(均值4.03 Rs > 3.50 Rs). 产生SEP事件的II型射电暴或激波具有更低的开始高度, 这与文献[4,5]中CME激波的开始高度越低就越容易产生SEP事件的结果相符.
图 6 射电增强事件 (a, b) II型射电暴开始、结束高度在不同速度区间内的均值分布; (c, d) II型射电暴开始、结束高度的统计直方图Figure6. For radio enhancement events, (a, b) the bin-average distribution of the type IIs start/stop height in different speed intervals; (c, d) the histogram of the type IIs start/stop height.
图6(b)和(d)为II型射电暴结束高度分析. 从图6(b)和(d)可以看出, 有SEP事件产生的II型射电暴结束高度明显高于无SEP事件的(均值33.06 Rs < 47.26 Rs), 且有SEP伴随的II型射电暴结束高度均值随CME速度的增大而明显增大. 部分超强II型射电暴的结束高度可到达100 Rs以上.
2)无射电增强伴随
图7为无射电增强事件, (a), (b)为II型射电暴开始、结束的高度区间均值随速度分布情况; (c), (d)为II型射电暴开始、结束高度的统计直方图. 从图7(a)可以看出, 在无射电增强事件中, II型射电暴开始高度均值普遍小于6 Rs, 有无SEP事件无明显差别. 从图7(b)可以看出: 无射电增强事件中, II型射电暴结束高度普遍小于30 Rs; II型射电暴结束高度均值都随CME速度的增大而升高, 且有无SEP事件无明显差异. 从图7(c), (d)可以看出: 产生SEP事件的II型射电暴开始高度一般较低而结束高度较高(均值为3.53—12.81 Rs), 也就是对应激波具有较大的持续高度范围; 而没有产生SEP事件的II型射电暴开始高度一般较高而结束高度较低(均值为3.85—7.97 Rs), 即激波持续高度范围较小.
图 7 无射电增强事件 (a), (b) II型射电暴起始、结束高度在不同速度区间内的均值分布; (c), (d)II型射电暴起始、结束高度的统计直方图Figure7. For no radio enhancement events: (a, b) The bin-average distribution of the type IIs start/stop height in different speed intervals; (c, d) the histogram of the type IIs start/stop height.
对比图6和图7, 总体上有SEP事件的II型射电暴起始高度比无SEP事件的略低, 约为3.5 Rs. 无论有(无)SEP事件, 有射电增强事件的II型射电暴结束高度为47.26 Rs (33.06 Rs)显著大于无射电增强事件的12.81 Rs (7.97 Rs).
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3.5.射电增强区与非增强区日冕密度
图8为射电增强事件中II型射电暴非增强区域拟合密度模型倍数(N1)和射电增强区域拟合密度模型倍数(N2)及N2-N1的统计直方图. 本研究中采用的日冕密度模型为一维模型及倍数, 只作为日冕密度径向分布的估算, 不能完整反映激波面周围日冕密度的三维分布, 所以本研究用来定性比较密度相对高低. 如图8所示, 无论是有SEP事件还是无SEP事件, 射电增强区域密度普遍高于非增强区域. 这与射电增强起因于CME相互作用的假设一致, 即相互作用的两个CME中, CME2激波前方为与其发生作用的CME1, 其密度一般比周围日冕密度要大. 图8(c)显示每个事件的N2和N1差值统计, 除4个事件外, 射电增强区域拟合密度模型倍数(N2)均大于或等于非增强区倍数(N1), 表明射电增强区域密度更大. 此外, 有SEP事件的密度倍数差值均值高于无SEP事件的. 这一结论表明, 在射电增强事件中, 能够产生SEP事件的CME激波前沿具有更高的日冕密度.
图 8 射电增强事件 (a)非增强区域拟合密度模型倍数N1; (b)增强区域拟合密度模型倍数N2; (c) N2与N1差值的统计直方图Figure8. Histogram of N1, N2, N2-N1. N1 and N2 are the multiples of coronal density model used in the fitting of type II radio burst and its enhancement episode respectively.
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3.6.射电增强事件中CME1和CME2
本文假设射电增强主要是由于CME相互作用引起的. 在本文研究样本中, CME2速度全部大于CME1速度(图9(a)), 这样, CME2传播中可以追赶上CME1并发生相互作用. 从图9(b)可以看出, CME2的角宽普遍大于CME1的, 且大多数为halo CME(图9(b)).
图 9 CME1和CME2 速度、角宽、重叠角宽的统计直方图Figure9. Histogram of CME1 and CME2 with speed, angular width and overlap width.
在CME相互作用过程中, CME2可以部分或者完全扫过CME1. 为了进一步探讨射电增强事件中重叠角宽与SEP事件的产生或者强度有无关联, 分析了CME1的角宽与重叠角宽的关系. 图9(c)结果显示, 射电增强事件中, 除了3个事件外, 其余所有事件的重叠角宽与CME1的角宽基本相等, 也就是CME2完全扫过CME1的传播区域. 这表明, 当一个快速CME完全扫过另一个CME而发生相互作用时更容易产生射电增强, 这一结论与文献[25]一致. 同时也显示, 产生SEP与不产生SEP的事件无明显差别.
1) 射电增强事件对应的CME速度、质量、动能和耀斑等级均高于无射电增强事件, 表明射电增强事件对应的CME具有更高的能量, 这与文献[25]中的结论一致. 伴随射电增强的CME激波加速粒子更易产生SEP事件(尤其是大SEP事件). 无论有无射电增强, 产生SEP事件的CME速度、质量和动能均明显大于无SEP的事件, 这表明产生SEP事件需要更高能的CME爆发.
2) 特征时间分析表明, SEP在近太阳附近的起始释放发生在II型射电暴开始之后, 而释放时间又早于射电增强开始时间. 此结果表明, 射电增强并不是直接导致SEP事件产生的原因, 只能作为CME激波增强或者CME更高能的观测表征, 增强的激波加剧了粒子加速过程.
3) 无论有无射电增强, 有SEP事件伴随的II型射电暴开始高度略低于无SEP事件的, 总体小于6.0 Rs, 平均约为3.5 Rs; 相比于无SEP事件的情况, 有SEP事件伴随的II型射电暴具有更高的结束高度, 其中有射电增强事件的II型射电暴结束高度(SEP: 47.26 Rs; No SEP: 33.06 Rs)明显高于无射电增强事件(SEP: 12.81 Rs; No SEP: 7.97 Rs). CME激波若能持续到足够高的空间范围, 也足以表明此CME具有更高的能量. 统计表明II型射电暴起始高度越低、结束高度越高的情况下, 产生SEP事件的概率更高. 也就是说, 当激波在很低的日冕形成后一直持续到很高高度(行星际)或持续很长时间, 则更容易产生SEP事件. 进一步表明, 若要产生SEP事件, 则要求CME长时间驱动激波、具有更高的能量.
4) 相比于II型射电暴非增强区域, 射电增强区域密度更高; 相比于无SEP事件, 有SEP事件II型射电暴区域密度更高. 显然, 更高密度的等离子体可提供更多待加速的种子粒子, 从而更容易产生SEP事件.
5) 射电增强事件中CME2几乎完全扫过CME1的传播区域, 表明在这种情况下, CME相互作用更易产生射电增强, 而有无SEP事件之间则无明显差异. 这也进一步说明, 要产生SEP事件, 不仅要有激波或增强的激波, 还要具备其他条件, 如有足够多的种子粒子、良好的磁联接条件等.
综上所述, 伴随有II型射电暴射电增强的CME具有更高的能量, 能驱动更强的激波, 但射电增强不是引起SEP事件的直接原因, 只是快速高能的CME与其他先行CME相互作用而引起激波增强的观测表现. 结果还显示, 伴随有射电增强的CME普遍比无射电增强的CME具有更快的速度、更大的质量和动能, 更高能, 更容易产生SEP事件, 尤其是大SEP事件.
感谢以下数据网站提供本文观测数据: CME, DH II型射电暴列表及参数(CDAW,
