Λεπτή υφή μετρικών ραδιοεξάρσεων τύπου IV από παρατηρήσεις του πολυκαναλικού ραδιοφασματογράφου ARTEMIS-IV

Abstract

Radio emission at metric and longer waves trace disturbances, mainly electron beams and shock waves, formed in the process of energy release and magnetic restructuring of the corona and propagating from the low corona to interplanetary space. The fine structures, on the other hand, embedded in type IV burst continua may be used as diagnostics of the magnetic-field restructuring and the corresponding energy release associated with the low-corona development of flare or coronal mass ejection (CME) events. A catalog of 36 type IV bursts observed with the SAO receiver of the ARTEMIS-IV solar radiospectrograph in the 450-270 MHz range at high cadence (0.01 sec) was compiled; the fine structures were classified into five basic classes with two or more subclasses each. The time of fine-structure emission was compared with the injection of energetic electrons as recorded by hard X-ray and microwave emission, the soft X-ray (SXR) light curves and the CME onset time. Our results indicate a very tight temporal association between energy release episodes and pulsations, spikes, narrow-band bursts of the type III family, and zebra bursts. Of the remaining categories, the featureless broadband continuum starts near the time of the first energy release, between the CME onset and the SXR peak, but extends for several tens of minutes after that, covering almost the full extent of the flare-CME event. The intermediate drift bursts, fibers in their majority, mostly follow the first energy release, but have a wider distribution than other fine structures. Two types of fine structures were selected from our dataset for an in-depth study:Narrow-band bursts: They appear on dynamic spectra from microwave to decametric frequencies as fine structures with very small duration and bandwidth. They are believed to be manifestations of small scale energy release through magnetic reconnection.We analyzed 27 metric type IV events with clearly recorded embedded narrow-band bursts. From the dataset mentioned above we examined the morphological characteristics of isolated narrow-band structures (mostly spikes) and groups or chains of structures. We measured the duration, spectral width, and frequency drift of ~12000 individual narrow-band bursts, groups, and chains. Spike sources were imaged with the Nancay radioheliograph (NRH) for the event of 21 April 2003. The mean duration of individual bursts at fixed frequency was ~100ms, while the instantaneous relative bandwidth was ~2%. Some bursts had measurable frequency drift, either positive or negative. Quite often spikes appeared in chains, which were closely spaced in time (column chains) or in frequency (row chains). Column chains had frequency drifts similar to type-IIId bursts, while most of the row chains exhibited negative frequently drifts with a rate close to that of fiber bursts. From the analysis of NRH data, we found that spikes were superimposed on a larger, slowly varying, background component. They were polarized in the same sense as the background source, with a slightly higher degree of polarization of ~65%, and their size was about 60% of their size in total intensity. The duration and bandwidth distributions did not show any clear separation in groups. Some chains tended to assume the form of zebra, lace stripes, fiber bursts, or bursts of the type-III family, suggesting that such bursts might be resolved in spikes when viewed with high resolution. The NRH data indicate that the spikes are not fluctuations of the background, but represent additional emission such as what would be expected from small-scale reconnection as in the type-IV embedded structures.From high resolution ARTEMIS-IV observations we examined the associations between type III burst and spike groups. We examined faint and isolated type III bursts with narrowband fine structures at the starting frequency in order to avoid confusion from complex groups. This data set comprised 12 type III bursts, 5 of them isolated. Both spike and type-III groups were found to associate well with the impulsive phase of the corresponding SXR flare; furthermore, most of the spike groups appeared near the starting frequency of the type III groups and coincided in time and frequency with the narrowband members of the type III family. The presence of spikes at the feet of the type III spectra and the similar drift rates, suggest similar energetic electron exciters while the presence of bidirectional spike groups trace, possibly, small scale of magnetic reconnection.ABSTRACTIntermediate drift bursts (fibers): They are fine structures embedded in type IV continua with small instantaneous bandwidth and frequency drifts between those of the type III bursts and the type II shocks. They are believed to represent whistler-Langmuir or Alfven-Langmuir wave interaction in post-flare loops. The exact details of the plasma radiation process governing their origin and propagation is an open research topic. Their diagnostic value in the estimation of magnetic field and plasma properties at their sources is significant.We examined the characteristics of individual intermediate drift bursts such as frequency drift, duration (total and at fixed frequency), frequency bandwidth (instantaneous and total) as well as their morphology on dynamic spectra, in particular the positioning of emission and absorption ridges. Furthermore we studied the repetition rate of fiber groups. These were compared with a geometrical model in order to determine the conditions under which the intermediate drift bursts appear and exhibit the above mentioned characteristics within a particular range. We analyzed sixteen metric type IV events with embedded intermediate drift bursts, from the data catalog. We measured the duration, spectral width and frequency drift of fiber bursts in 43 intermediate drift bursts (IMD) groups embedded within the continuum of the sixteen events mentioned above. We compared the observations with the predictions of a simple model of the propagation of a whistler wave packet on a magnetic loop along a field line. The mean duration of individual fiber bursts at fixed frequency was Δt~300ms, while the instantaneous relative bandwidth was δlnf~0.90% and the total frequency extend was Df~ 35MHz. The recorded intermediate drift bursts had frequency drift, positive or negative, with average values of \mbox{$\rm d\ln f/dt$} equal to -0.027 and 0.024s^{-1} respectively. Quite often the fibers appeared in groups; the burst repetition rate, within groups was, on average, ~0.97s.We distinguish six morphological groups of fibers, based on the relative position of the emission and absorption ridges. These included fibers with only emission or absorption ridges, fibers with the absorption ridge at lower or higher frequency than the emission or with two absorption ridges above and below the emission; there were also some fibers where two emission ridges separated by an absorption ridge. Some, additional, complex groups within our data set were not easy to classify. Certain borderline cases of fibers with too high drift rate ~0.30s^{-1} or too with narrow total bandwidth (~8MHz) were recorded; among them there was a group of rope-like fibers characterized by fast repetition rate and, relatively, narrow total frequency extend. The intermediate drift burst characteristics derived from the observations and the model computations were consistent, on average, providing an indication of the ambient plasma and magnetic field properties at the intermediate drift bursts source.

Η εκπομπή στα μετρικά μήκη κύματος προκύπτει από διαταραχές, κυρίως δέσμες ηλεκτρονίων και κρουστικά κύματα, που σχηματίζονται από διεργασίες έκλυσης ενέργειας και μαγνητικής αναδόμησης του στέμματος που διαδίδονται από το χαμηλό στέμμα προς το μεσοπλανητικό διάστημα. Η λεπτή υφή που εμπεριέχεται στα φαινόμενα τύπου \IV~μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως διαγνωστικό εργαλείο των διεργασιών αυτών, που σχετίζονται με εκλάμψεις και/ή στεμματικές εκτοξεύσεις μάζας. Για την εργασία αυτή χρησιμοποιήθηκαν καταγραφές 36 φαινομένων τύπου IVαπό τον δέκτη SAO του ραδιοφασματογράφου ARTEMIS-IV, ο οποίος λειτουργεί στην φασματική περιοχή των 450--270 \MHz με υψηλή χρονική ανάλυση 0.01s. Οι εξάρσεις λεπτής υφής που παρατηρήθηκαν στα φαινόμενα αυτά ταξινομήθηκαν σε πέντε βασικές κατηγορίες, με επιπλέον διάκριση σε υποκατηγορίες σε καθεμία από αυτές. Συγκρίναμε τον χρόνο εμφάνισης των εξάρσεων λεπτής υφής με την εκτίναξη ενεργητικών ηλεκτρονίων όπως κατεγράφησαν από τις σκληρές ακτίνες Χ και την μικροκυματική εκπομπή, τις μαλακές ακτίνες Χ και την έναρξη στεμματικής εκτίναξης μάζας. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν στενή χρονική συσχέτιση μεταξύ φαινομένων έκλυσης ενέργειας και αιχμών, παλμικών δομών και εξάρσεων τύπου ζέβρα. Από τις υπόλοιπες κατηγορίες, το συνεχές μεγάλου εύρους εμφανίζεται κοντά στον χρόνο έκλυσης ενέργειας μεταξύ της έναρξης στεμματικής εκτόξευσης μάζας και μεγίστου στις μαλακές ακτίνες Χ, αλλά εκτείνεται και για αρκετές δεκάδες λεπτών μετά. Οι εξάρσεις ενδιάμεσης ολίσθησης ακολουθούν την πρώτη έκλυση ενέργειας αν και έχουν κατανομή μεγάλου εύρους σε σχέση με τις άλλες εξάρσεις λεπτής υφής. Από το σύνολο των δεδομένων μας επελέγησαν δύο είδη λεπτής υφής για περαιτέρω σε βάθος μελέτη.Εξάρσεις μικρού εύρους: Εμφανίζονται στο δυναμικό φάσμα από την μικροκυματική μέχρι και την δεκαμετρική περιοχή συχνοτήτων, ως λεπτή υφή με πολύ μικρή διάρκεια και φασματικό εύρος. Θεωρείται ότι αποτελούν έκφραση μικρής κλίμακας έκλυσης ενέργειας μέσω μαγνητικής επανασύνδεσης. Αναλύσαμε 27 φαινόμενα τύπου IV στα μετρικά μήκη κύματος στα οποία παρατηρήθηκαν και απομονώθηκαν εξάρσεις μικρού εύρους μέσα σε αυτά. Εξετάσαμε και μετρήσαμε τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των μεμονωμένων δομών μικρού εύρους (αιχμές), ομάδων και αλυσίδων όπως η διάρκεια, το φασματικό εύρος και η ολίσθηση στην συχνότητα. Για το φαινόμενο της 21 Απριλίου 2003 μελετήθηκαν οι πηγές των αιχμών μέσω του ραδιοηλιογράφου του Nancay. Κάποιες από τις αλυσίδες εμφάνισαν δομές όπως ζέβρα, τύπου δαντέλα, νημάτια ή εξάρσεις μικρής κλίμακας της οικογένειας τύπου ΙΙΙ, κάτι που υποδεικνύει ότι σε υψηλότερη ανάλυση κάποιες από αυτές τις δομές ενδέχεται να αποτελούνται από εξάρσεις μικρού εύρους. Από τις παρατηρήσεις του ARTEMIS-IV και ξεχωριστά από τον κατάλογο των φαινομένων τύπου IV, μελετήθηκε η συσχέτιση των εξάρσεων τύπου ΙΙΙ και των αιχμών. Εξετάστηκαν αμυδρά και μεμονωμένα φαινόμενα τύπου ΙΙΙ με εξάρσεις μικρού εύρους κοντά στην συχνότητα έναρξής τους, με σκοπό να αποφύγουμε την σύγχυση από σύνθετα φαινόμενα. Το σύνολο των φαινομένων αυτών αποτελείται από 12 εξάρσεις τύπου ΙΙΙ εκ των οποίων οι 5 είναι μεμονωμένοι. Οι αιχμές και οι εξάρσεις τύπου ΙΙΙ βρέθηκε να σχετίζονται με την εκρηκτική φάση της σχετιζόμενης έκλαμψης. Η παρουσία αιχμών στα πόδια των εξάρσεων τύπου ΙΙΙ και οι ίδιας τάξης ρυθμοί ολίσθησης υποδεικνύουν ως διεγείρον αίτιο όμοιους πληθυσμούς ηλεκτρονίων, ενώ ομάδες αιχμών διπλής κατεύθυνσης δείχνουν πιθανόν μικρής κλίμακας μαγνητική επανασύνδεση.Εξάρσεις ενδιάμεσης ολίσθησης (νημάτια): Είναι είδος λεπτής υφής που εμφανίζεται μέσα σε εξάρσεις τύπου IV, με μικρό στιγμιαίο φασματικό εύρος, και ολίσθηση συχνότητας μεταξύ των εξάρσεων τύπου ΙΙΙ και ΙΙ. Θεωρείται ότι αντιπροσωπεύουν αλληλεπίδραση κυμάτων Langmuir με κύματα Alfven ή συρίζοντα κύματα σε βρόχους μετά την έναρξη της έκλαμψης. Η αξία τους ως διαγνωστικό εργαλείο του μαγνητικού πεδίου και των ιδιοτήτων του πλάσματος είναι ιδιαίτερα σημαντική. Από το σύνολο των δεδομένων, αναλύθηκαν 16 φαινόμενα τύπου IV τα οποία περιείχαν 43 εξάρσεις ενδιάμεσης ολίσθησης. Εξετάστηκαν χαρακτηριστικά όπως η ολίσθηση, η διάρκεια (ολική και στην κεντρική συχνότητα), το φασματικό εύρος (ολικό και στιγμιαίο) καθώς και ο ρυθμός επανάληψης στις ομάδες νηματίων. Επίσης ταξινομήθηκαν σύμφωνα με την μορφολογία τους στο δυναμικό φάσμα. Βρέθηκαν έξι κατηγορίες ανάλογα με την θέση και των αριθμό λωρίδων εκπομπής ή/και απορρόφησης. Επιπλέον παρατηρήθηκαν κάποιες ιδιαίτερες περιπτώσεις εξάρσεων ενδιάμεσης ολίσθησης όπως εξάρσεις ταχείας ολίσθησης, στενού εύρους, και τύπου σχοινιού. Τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν σε ένα μοντέλο, σύμφωνα με το οποίο προσπαθήσαμε να καθορίσουμε το είδος του διεγείροντος αιτίου στην φασματική περιοχή του SAO. Συγκρίναμε τις παρατηρήσεις με τις προβλέψεις ενός απλού μοντέλου διάδοσης συριζόντων κυμάτων κατά μήκος μιας δυναμικής γραμμής ενός στεμματικού βρόχου. Επίσης, από τα μετρημένα μεγέθη προέκυψαν εμπειρικές σχέσεις μεταξύ τους που επαληθεύουν κάποια αποτελέσματα από παλαιότερες εργασίες.