复杂活动区同源极紫外晚相太阳耀斑的观测研究

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太阳耀斑是太阳大气中自由磁能通过磁重联快速释放的过程。典型的太阳耀斑在爆发后的数分钟至数小时内累计释放能量可达1028-1033 erg,是空间灾害天气的主要驱动源。通常耀斑各波段辐射流量的时间演化轮廓具有很大相似性,一般都表现有显著的脉冲相与缓变相。基于最新的太阳动力学天文台(Solar Dynamics Observatory,SDO)搭载的极紫外变化试验仪(Extreme-ultraviolet Variability Experiment,EVE)的观测,人们发现部分耀斑的中温通道(~3 MK)辐射流量会在软X射线峰值之后的数十分钟到数小时内出现第二个峰值。与此同时高温波段辐射却没有对应的显著增长。这一现象被视为耀斑缓变相的一种特殊阶段,定名为极紫外晚相(Extreme-ultraviolet Late Phase,ELP)。过去十年,众多学者对耀斑ELP的起源、热力学机制、磁场拓扑结构进行了详尽的分析。研究结果显示,ELP经常出现于大型耀斑中,辐射来源往往是一组与主耀斑环有磁连接性但更高更长的冕环,与主耀斑环在空间上存在明显分离。基于观测事实,两种ELP的形成机制被提出。其一是长环冷却机制,这种观测点认为,耀斑爆发时,ELP环与主耀斑环几乎同时经磁重联加热后至高温(>10 MK)。加热停止后由于环冷却时长与环长近乎成正比,长冕环需要更长时间冷却,所以在中低温长环的流量峰值会相对短的耀斑环产生明显延迟,形成第二个峰值;另外约三百万开尔文时,冕环冷却速率较慢,大量冕环被同时观测到,导致二次峰值略微增强,更加显著。另一种观点认为延迟加热是ELP主要产生因素。例如磁绳抬升过程中拉伸上方磁力线,可在高海拔处形成电流片并发生类似标准双带耀斑模型的重联过程,由于此高度日冕物质稀薄、磁场弱,电流片的耗散只能提供少量能量,使长ELP环在后期由低温被加热至三百万开尔文左右,形成中温波段二次峰值。在前人已发表的文章中,数值模拟结果证实两种机制均可有效产生ELP,但是观测发现不同的重联过程可为爆发型与限制型(无日冕物质抛射,CME)耀斑产生ELP提供能量。此外,统计结果还表明ELP耀斑会有聚集发生在同一活动区的趋势,延迟加热机制也倾向于发生在双带耀斑而不是环形耀斑中。针对前人对ELP耀斑的聚集效应和形成机制的讨论,本文选取了 2011年9月6日至9月10日太阳活动区(active region,AR)11283中先后发生的六个M级以上ELP耀斑(F1-F6)为主要样本,以辐射为重点,结合磁场进行综合分析。论文第一章将简要介绍太阳耀斑的研究历史、耀斑爆发模型、ELP的研究进展以及本文工作目的和创新性。论文的第二章将简介观测仪器与数据的参数、特征,以及本工作所使用到的数据处理方法。论文的第三章我们将利用SDO卫星搭载的大气成像仪(Atmospheric Imaging Assembly,AIA)的高分辨率成像数据以及EVE曲线,对活动区的整体演化、耀斑样本的演化过程、ELP起源进行分析。首先,我们注意到样本耀斑的耀斑带形态以及光球磁图相似性很高,结合相关文献与磁场外推结果,我们发现所有耀斑都具有扇脊拓扑结构,扇面下的磁绳在每个事件的多阶段磁重联爆发过程中起到了主导作用。个例单独分析中,我们以耀斑F2为基础,结合微分辐射计(Differential Emission Measure,DEM)结果与AIA流量曲线,确认此事件中前期ELP典型冷却长环的存在,并发现后期延迟加热机制同样为ELP持续做出贡献。随后,我们发现耀斑F1后期微弱的ELP形成过程与F2的后期延迟加热过程很相近,耀斑F3-F6中长ELP环冷却过程没有发现显著的热源,长环冷却机制明显占据主导。即此活动区的耀斑ELP的形成机制逐渐由延迟加热转变为长环冷却。本章我们还将联系所有要耀斑特征简要分析讨论。首先,我们测量ELP峰相对主相峰的时间延迟,发现F2-F3之间发生了巨变,这也印证了晚相机制的转变。为了进一步认证F3-F6中冷却机制,我们在每个耀斑均选取了具有代表性的ELP环,并估算其冷却时长,结果与实际观测冷却时长基本吻合。此外,我们界定了每个耀斑的主相与晚相区域以精确量化ELP辐射。我们发现爆发型耀斑中,AIA 335 ?峰值强度与AIA 1600 ?远端耀斑带的辐射通量具有很高的正相关性,这非常类似于著名的Neupert效应,说明ELP环的加热在爆发时刻已基本完成,那么这些耀斑的ELP形成机制更倾向于长环冷却。最后,我们关注到唯一一个限制型耀斑F6展现出了与众不同的极大ELP,这种特别的辐射特征预示了不同于其他耀斑中加热ELP环的能量注入方式。最后第四章我们将对本文工作的关注点开展总结讨论,并对未来工作进行展望。
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