太阳射电爆发精细结构的剪切驱动四极重联模型解释＊

薛钰，黄冲

（榆林学院，陕西 榆林 719000）

1 引言

太阳射电Ⅲ型爆发是一种瞬时的太阳射电辐射增强现象，在动态频谱上常常表现为由高频向低频快速漂移的宽带射电信号。目前普遍认为Ⅲ型爆发是高能粒子沿磁力线运动过程中激发的等离子体辐射。本文所涉及的U 型和RS 型爆发为Ⅲ型爆发的变种和精细结构。Ⅲ型爆发的精细结构在诊断电子密度、高能电子速度、日冕大气湍流、预报空间天气等方面起到关键作用，因此这些精细结构的形成原因多年来一直被关注。第24 太阳活动周峰年的X2.2 级耀斑爆发事件对研究这个模型很重要。较早的工作认为非热的太阳射电爆发应该发生在软X 射线辐射峰值之前[1-2]，但在怀柔射电频谱仪的观测资料中发现存在软X 射线辐射峰值之后的射电爆发事件。WANG 等[3]分析了2000-07-10 发生在活动区NOAA 9077 中的M5.7 级耀斑事件的软X 射线辐射峰值之后的射电延伸辐射。他们认为，这些爆发由新的重联过程产生，其触发不仅有足点沿中性线剪切运动的贡献，也有底环上浮运动的贡献。位于怀柔太阳观测基地的太阳射电宽带动态频谱仪在2011-02-15X2.2 级耀斑的软X 射线辐射峰值之后，在2.6～3.8 GHz 频段上观测到了两组射电微波U 型和RS 型爆发。

本文首先给出了这两组U 型和RS 型爆发的观测特征，然后用剪切驱动的四极重联模型解释了这种观测形态的出现，最后给出分析结果。

2 观测

2011-02-15 的X2.2 级耀斑发生在活动区NOAA 11158。由GOES15 观测到的软X 射线辐射如图1（底部）所示，耀斑在01：46 UT 左右开始，在01：56：50 UT 达到峰值，之后进入衰减相[4]。

图1 微波流量与软X 射线流量的时间轮廓[5]

怀柔太阳观测基地的太阳射电宽带动态频谱仪（Huairou/NAOC）提供了2.6～3.8 GHz 和5.2～7.6 GHz 频段的太阳射电爆发和精细结构的观测数据。软X 射线辐射峰值之后，在2.6～3.8 GHz 频段观测到了两组U 和RS 型爆发。不失一般性，我们分别选取2.84 GHz 和7.20 GHz 作为频段2.6～3.8 GHz 和5.2～7.6 GHz 的代表，用其流量时间轮廓来呈现两个频段的流量变化。图1 中箭头所指为两组爆发的大概发生时间，竖直虚线与时间轴的交点为软X 射线辐射峰值时刻。由此可见，软X 射线辐射峰值之后，微波5.2～7.6 GHz流量基本单调减小，而微波2.6～3.8 GHz 流量出现了新的增强，并伴有复杂的精细结构。

图2 给出两组微波爆发的频谱结构，它们均为右旋圆偏振，偏振度接近100%。上下两图的时间轴长度相等，均选取了4 158 个时间点，共4 158×8 ms=33.264 s。两组爆发各包含2 个U 型爆发和2 个RS 型爆发，按时间顺序分别标记为第一组：RS1、U1、U2、RS2；第二组：U3、U4、RS3、RS4。由放大后的插图可见，U2 和U4 各自由两个连续的U型结构组成。这些U 型和RS 型爆发的观测特征值列于表1。

图2 两组微波爆发的频谱图[5]

根据表1，可以得到如下观察特征。首先，对于U 型爆发，上升沿与下降沿的平均频率漂移率比值约为3/4，RS 型爆发的平均频率漂移率与U 型爆发下降沿相当。其次，U 型爆发最低频率（U 型结构反转频率）的平均值为2 765 MHz，RS 型爆发最低频率的平均值为3 035 MHz。最后，U 型爆发的平均最大流量为892 sfu，约为RS 型爆发平均最大流量的4 倍。

表1 2011-02-15 微波U 型和RS 型爆发的观测特征

3 SQR 模型

SQR 模型可以很好地解释为什么会观测到这样的U 型和 RS 型爆发。ASCHWANDEN 等[6]提出的 SQR 模型包括两个磁环，一个大磁环（较高）和一个小磁环（较低）。足点沿中性线的运动导致两个磁环越来越靠近，直到触发磁重联。在此过程中，不同极性的足点重新组合联接，最后称为另外两个独立的新磁环。为简化模型，我们考虑如图3 所示的四条磁力线：重联前的两条磁力线记为大环（L+，L-）、小环（S+，S-），重联后的两条磁力线记为大环（L+，S-）、小环（S+，L-）。当足点S-和L-沿着中性线移动时，两条磁力线会越来越靠近，直到它们在某一时刻某一位置相交，这样就触发了X 型重联，磁力线便会进行重新组合。重联点X 可能在小环（S+，S-）的顶点附近，新的磁力线曲率减小，所具有的能量状态更低，磁能就会释放出来[6]。

图3 射电爆发在SQR 模型中的空间轨迹

图3 中，两个虚线箭头分别对应U 型爆发的上升沿和下降沿[6]，在重联点X 附近，被加速的高能电子束将沿着磁力线运动并发出辐射。从X 点出发，沿闭合磁力线向上运动的电子束反映为U 型爆发，沿磁力线向下运动的电子束则反映为RS 型爆发。

4 理论分析

平均频率漂移率可以体现磁环空间尺度的大小：频率漂移越快，空间尺度越小；频率漂移越慢，空间尺度越大。因此，我们可以根据表1 中U 型和RS 型爆发的平均频率漂移率的值来比较两个磁环的空间尺度。容易得到，两个磁环的空间尺度基本相当。较高的磁环的上升沿和下降沿尺度比约为4/3。

如果把活动区的磁场近似为光球上方的一个偶极场，可通过（1）式估算出射电源的高度[3]：

式（1）中，偶极场深度d一般取3.5×104km[3]，光球磁场强度B0在该事件中可取为1 000 G[7]。将U 型和RS 型爆发的平均最低频率代入式（1），可以得到两个磁环的顶点高度分别约为9 300 km 和8 000 km。

在这个事件中，向上运动的电子束可以用U 型爆发探测到，向下运动的电子束可以用RS 型爆发探测到。一般情况下，越往上磁场强度越低，背景等离子体密度越小，更利于射电辐射的逃逸；反之，越往下磁场强度越高，背景等离子体密度越大，越不利于射电辐射逃逸。因此，U 型爆发的流量密度应大于RS 型爆发的流量密度，这与表1 中的观测特征相符合。

5 结论

本研究可以得出以下结论：①两个磁环的空间尺度基本相当。对于较高的磁环，其上升沿尺度略大于下降沿尺度，比值约为4/3；②U 型爆发对应的磁环顶点高度约为9 300 km，RS 型爆发对应的磁环顶点高度约为8 000 km，二者相差约1 300 km；③U 型爆发的平均最大流量为892 sfu，约为RS 型爆发平均最大流量的4 倍。