[论文解读] Solar flare radio pulsations as a signature of dynamic magnetic reconnection

B. Kliem, M. Karlický+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 50

一句话总结

该论文提出，太阳耀斑中的准周期性射电脉动源于在扩展电流片中发生的动态磁重连，其中磁岛的反复形成与合并驱动了调制性粒子加速。MHD模拟证实了这一机制，直接将脉动与磁岛的形成和喷射联系起来，为爆发耀斑中射电辐射与日冕动力学提供了一体化解释。

ABSTRACT

Decimetric radio observations of the impulsive solar flare on October 5, 1992, 09:25 UT show a long series of quasi-periodic pulsations deeply modulating a continuum in the 0.6-2 GHz range that is slowly drifting toward lower frequencies. We propose a model in which the pulsations of the radio flux are caused by quasi-periodic particle acceleration episodes that result from a dynamic phase of magnetic reconnection in a large-scale current sheet. The reconnection is dominated by repeated formation and subsequent coalescence of magnetic islands (known as ``secondary tearing'' or ``impulsive bursty'' regime of reconnection), while a continuously growing plasmoid is fed by newly coalescing islands. Such a model, involving a current sheet and a growing plasmoid, is consistent with the Yohkoh observations of the same flare (Ohyama & Shibata 1998). We present two-dimensional MHD simulations of dynamic magnetic reconnection that support the model. Within the framework of the proposed interpretation, the radio observations reveal details of plasmoid formation in flares.

研究动机与目标

• 解释1992年10月5日太阳耀斑中观测到的准周期性米波射电脉动的起源。
• 通过将射电辐射与动态重连而非被捕获粒子分布联系起来，解决硬X射线脉动微弱与射电脉动强烈之间的矛盾。
• 研究日冕电流片中磁岛的形成与喷射是否能直接产生观测到的射电爆发调制。
• 检验粒子加速受涉及磁岛合并的爆发性、脉冲式重连过程调制的假设。
• 为同一耀斑的射电观测与Yohkoh软X射线数据提供一个自洽的重连动力学模型。

提出的方法

• 在具有自洽异常电阻率的长电流片中进行二维MHD模拟，研究磁重连过程。
• 模拟磁岛（磁通绳）的形成及其向不断增长的磁岛结构的合并，再现爆发性重连状态。
• 利用1992年10月5日耀斑的物理参数（如磁场强度、离子密度）将模拟结果缩放至日冕条件。
• 基于模拟的粒子加速率与等离子体加热，假设来自各向异性电子分布的辐射，预测射电辐射。
• 将模拟的射电光曲线与动态谱与苏黎世和翁德烈约夫观测到的米波与十米波射电数据进行比较。
• 结合Yohkoh SXT对磁岛喷射的观测约束，验证模拟的物理解释一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太阳耀斑的爆发相中，什么物理机制导致了米波射电爆发中的准周期性脉动？
• RQ2 如果硬X射线与射电脉动均源于同一能量释放过程，如何解释其观测到的反相关性？
• RQ3 具有重复磁岛形成与合并的动态磁重连能否再现观测到的射电脉动时间尺度与振幅？
• RQ4 射电辐射源位于耀斑环内还是其上方的电流片中？这如何影响辐射机制？
• RQ5 磁岛的形成与喷射在扩展电流片中对粒子加速与射电辐射的调制作用是什么？

主要发现

• 准周期性射电脉动（时间尺度为0.5–10秒）是由动态电流片中磁岛的反复形成与合并所引起的调制性粒子加速所致。
• 该模型通过将射电辐射归因于电流片而非耀斑环，解释了硬X射线脉动微弱及其与射电爆发的反相关性。
• MHD模拟证实，具有自洽异常电阻率的爆发性重连可产生磁岛的形成与喷射，与Yohkoh对1992年10月5日耀斑的观测一致。
• 射电辐射机制并非主要源于稳定耀斑环中的被捕获粒子，而是源于磁岛或电流片中瞬态的各向异性分布。
• 模拟中的磁岛通过磁岛的连续合并而增长，与观测到的射电爆发向较低频率缓慢漂移一致。
• 该模型支持电流片在磁岛喷射之前已形成，与普遍认为磁岛触发电流片的观点相矛盾。