Interrogating Solar Flare Loop Models with IRIS Observations 2: Plasma Properties, Energy Transport, and Future Directions
Graham S. Kerr
备注:
Accepted for publication in Frontiers in Astronomy and Space Sciences (Research Topic: Flare Observations in the IRIS Era: What Have we Learned, and What's Next?
During solar flares a tremendous amount of magnetic energy is released and transported through the Sun's atmosphere and out into the heliosphere. Despite over a century of study, many unresolved questions surrounding solar flares are still present. Among those are how does the solar plasma respond to flare energy deposition, and what are the important physical processes that transport that energy from the release site in the corona through the transition region and chromosphere? Attacking these questions requires the concert of advanced numerical simulations and high spatial-, temporal-, and spectral- resolution observations. While flares are 3D phenomenon, simulating the NLTE flaring chromosphere in 3D and performing parameter studies of 3D models is largely outwith our current computational capabilities. We instead rely on state-of-the-art 1D field-aligned simulations to study the physical processes that govern flares. Over the last decade, data from the Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) have provided the crucial observations with which we can critically interrogate the predictions of those flare loop models. Here in Paper 2 of a two-part review of IRIS and flare loop models, I discuss how forward modelling flares can help us understand the observations from IRIS, and how IRIS can reveal where our models do well and where we are likely missing important processes, focussing in particular on the plasma properties, energy transport mechanisms, and future directions of flare modelling.
Properties of chromospheric evaporation and plasma dynamics of a solar flare from IRIS observations
太阳耀斑色球热等离子体动力学是理解耀斑能量释放和粒子加速机制的关键。2014年6月12日的中等M1.0级耀斑(SOL 2014 -06- 12 T21:12)同时被NASA的界面区域成像光谱仪(IRIS),其他航天器和BBSO的新太阳望远镜(NST)观测到。本文介绍了我们的调查的第一部分集中在IRIS数据的分析。对IRIS不同谱线的观测资料进行分析,发现耀斑前色球物质中存在一个速度约为100 km/s的强红移喷流。强的非热发射的C II k 1334.5 A线,形成于色球-日冕过渡区,在脉冲阶段的开始时,在几个小的(与~1 arcsec的大小)点观察。还发现C Ⅱ k线在脉冲相之前、期间和之后都发生了跨越耀斑区的红移。Fe XXI 1354.1 A谱线中的热(1.1 MK)等离子体的积分发射峰在较低温度C II k的积分发射峰之后约5分钟被检测到。一个强大的蓝移的Fe XXI线在整个耀斑区域对应的热色球等离子体的蒸发流的速度为50公里/秒。对拉马迪高能太阳光谱成像仪(RHESSI)数据的进一步分析支持这样一种观点,即IRIS观测到的上色球层动态具有“温和”蒸发的特征,这是由加速电子和耀斑能量释放点的热通量加热太阳色球层驱动的。
Quasi-periodic pulsations and three-dimensional magnetic reconnection during 2022 March 31 flare observed by IRIS & STIX
Bay Area Environmental Research Institute(湾区环境研究所);Lockheed Martin Solar & Astrophysics Laboratory(洛马太阳能与天体物理实验室);University of Applied Sciences and Arts Northwestern Switzerland (FHNW)(西北瑞士应用科学与艺术大学);ETH Zürich(苏黎世联邦理工学院);Oregon State University(俄勒冈州立大学);Dublin Institute for Advanced Studies(都柏林高等研究院);Southwest Research Institute(西南研究院);SETI Institute(搜寻地外文明研究所)
Rapid variations of Si IV spectra in a flare observed by IRIS at a sub-second cadence
我们报告的观测高度变化的Si IV 1402.77线剖面观察到的界面区域成像光谱仪(IRIS)在M级耀斑从2022年1月18日在一个前所未有的0.8秒的节奏。对耀斑带核中观测到的这条谱线的矩分析表明,谱线的强度、多普勒速度和非热展宽的变化周期均小于10 s。这些变化被认为是相关的高斯拟合到一个良好的解决二级组件的线红移高达70公里秒$^{-1}$的属性,而主要组件始终观察到附近的休息波长的线。一个特别高的相关性被发现之间的非热加宽的线产生的时刻分析和红移的二次分量。这意味着谱线增宽的振荡增强是由于具有不同性质的等离子体流(远离观察者)。一个简单的反投影的多普勒速度的二次分量的基础上的三维重建的耀斑环植根于内核表明,所观察到的流量是由下降流和兼容的强凝结流最近预测的数值模拟。此外,峰值的强度和趋势的高斯拟合的多普勒速度的第二个组成部分(平均在带状)被认为是对应的准周期性脉动(QPP)的事件期间检测到的软X射线通量(测量的地球同步业务环境卫星,GOES)和微波无线电通量(测量的扩展欧文斯谷太阳能电池阵列,EOVSA)。这一结果支持QPP是由重复的磁重联驱动的情况。
A Si IV/O IV electron density diagnostic for the analysis of IRIS solar spectra
基于Si IV $λ$ 1402.77与O IV $λ$ 1401.16的大强度比,来自界面区成像光谱仪(IRIS)的紫外线爆发和耀斑带的太阳光谱表明,在0.1 MK的过渡区温度下,电子密度为$>10^{12}$ cm $^{-3}$。在这项工作中,一个罕见的弱O IV $λ$ 1343.51线的观测报告来自2014年10月24日21:41 UT达到峰值的X级耀斑。该线用于开发Si IV $λ$ 1402.77与O IV $λ$ 1401.16比率作为密度的函数的理论预测,其推荐用于高密度区域。该方法利用新的压力依赖性电离分数,考虑到在高密度的双电子复合的抑制。它适用于两个序列的耀斑内核观测从10月24日耀斑。第一个位置显示了在七分钟时间段内在$3\times 10^{12}$到$3 \times 10^{13}$ cm $^{-3}$之间变化的密度,而第二个位置显示了在三分钟时间段内约$2\times 10^{12}$ cm $^{-3}$的稳定密度值。
A Two-ribbon White-light Flare Associated with a Failed Solar Eruption Observed by ONSET, SDO, and IRIS
双带增亮是爆发型太阳耀斑最显著的特征之一,常被用来预测日冕物质抛射(CME)的发生。然而,最近有人质疑是否所有的双带耀斑都是爆发性的。在本文中,我们研究了一个两个带状白光(WL)耀斑,这是与失败的磁通量绳(MFR)爆发2015年1月13日,没有伴随CME在WL日冕。\textit{Optical and Near-infrared Solar Eruption Tracer}和\textit{Solar Dynamics Observatory}的观测结果表明,随着耀斑发射的增加和未成功爆发的MFR的加速,在WL 3600的通带处出现了两个孤立的核,并迅速发展成两个细长的带状结构。WL连续谱增强的演化与\textit{Fermi}硬X射线26- 50 keV通量的变化在时间上完全一致。在\textit{Interface Region Imaging Spectrograph}观察到的整个FUV和NUV通带处,连续发射的增加也是清晰可见的。此外,在一个WL核中,\ion{Si}{4}、\ion{C}{2}和\ion{Mg}{2} h/k线显示显著增强和非热增宽。然而,它们的多普勒速度模式是依赖于位置的。在强烈明亮的像素,这些线表现出蓝移;而在中等明亮的,线通常是红移。这些结果表明,失败的MFR爆发也能够产生一个双带耀斑和高能电子,加热低层大气,导致WL和FUV/NUV连续辐射和色球…
Investigating Pre-flare Signatures in Spectroscopic Observations of an X9-class Solar Flare
New Jersey Institute of Technology(新泽西理工学院);Observatoire de Paris, Université PSL, CNRS, Sorbonne Université(巴黎天文台,巴黎文理研究大学,法国国家科学研究中心,索邦大学);National Solar Observatory(美国国家太阳天文台);University of Colorado Boulder(科罗拉多大学博尔德分校)
Modeling a Propagating Sawtooth Flare Ribbon Structure as a Tearing Mode in the Presence of Velocity Shear
2014年4月18日(SOL 2014 -04- 18 T13:03),IRIS观察到M级耀斑。相关的耀斑带包含一个准周期性的条纹图案,观察到沿带状传播,垂直于IRIS光谱狭缝,与$\sim 15$ km s $^{-1}$的相速度。这种运动导致了沿着狭缝的强度和多普勒速度的周期性。据报道,这些周期在位置上约为$\pm0.5$弧秒,在速度上约为$\pm20$ km s $^{-1}$,并且测量为彼此异相的$\sim180^{\circ}$。这种准周期性行为被其他人归因于三维磁重联过程中发生的突发或片状重联和滑移。虽然能够解释强度和多普勒速度的周期性,但这些建议并没有明确解释整个周期结构的相速度,或者振荡的相对相位。在这里,我们认为这些观察结果可以用电流片上发生的撕裂模不稳定性来解释,电流片上也存在速度剪切。使用这种不稳定性的线性模型,我们再现的振荡的相对相位,以及的相速度的结构。我们建议的几何形状和当地的等离子体参数为4月18日耀斑,这将支持我们的假设。根据这一建议,综合光谱和空间IRIS观测的耀斑可能会提供最令人信服的证据,以日期的撕裂模式发生在太阳磁场。
Non-thermal Broadening of IRIS Fe XXI Lines Caused by Turbulent Plasma Flows in the Magnetic Reconnection Region During Solar Eruptions
磁重联是太阳爆发中能量释放的重要机制,其中高温辐射是研究磁重联过程中等离子体性质的主要诊断手段。紫外光谱仪在重联电流片和耀斑环顶区都观测到了高温谱线的非热展宽,但其成因尚不清楚。在这项工作中,我们使用最近开发的三维磁流体动力学(MHD)模拟磁重联在标准的太阳耀斑的几何形状和揭示高度动态的等离子体流的重联区域。利用MHD模型的参数,包括等离子体的密度、温度和速度,计算了界面区成像光谱仪(IRIS)观测到的Fe XXI 1354谱线的合成剖面。我们的模型表明,在CS和耀斑环顶区域的湍流体等离子体流负责的非热加宽的Fe XXI发射线。模拟的非热速度范围从几十公里秒$^{-1}$到超过两百公里秒$^{-1}$,这是与IRIS观测一致。模拟的二维谱线图也揭示了高度动态的下行流结构,其中高的非热速度很大,这是与观测一致的。
Using Multiple Instance Learning for Explainable Solar Flare Prediction
Institute for Data Science, Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW)(西北瑞士应用科学与艺术大学数据科学研究所)
在这项工作中,我们利用弱标记的光谱数据集从美国宇航局IRIS卫星的预测太阳耀斑使用多实例学习(MIL)的范例。虽然标准的监督学习模型期望每个实例都有一个标签,但MIL放松了这一点,只考虑要标记的实例。这非常适合于使用IRIS数据进行耀斑预测,IRIS数据由沿仪器狭缝测量的紫外光谱袋的时间序列组成。特别是,我们认为读出窗口周围的Mg II H&K线,编码信息的太阳色球层的动态。我们的MIL模型不仅能够预测未来$\sim$ 25分钟内是否会发生耀斑,准确率约为90%,而且还能够解释哪些光谱轮廓对其袋级预测特别重要。这些信息可用于突出正在进行的IRIS观测中的实时感兴趣区域,并确定典型耀斑前兆光谱剖面的候选者。我们使用k-均值聚类来提取与耀斑预测相关的光谱轮廓组。恢复组显示高强度,三重红翼发射和单峰的H和K线,发现由以前的工作。它们似乎与小规模的爆炸事件有关,据报道,这些事件发生在耀斑爆发前几十分钟。
The 2014 March 29 X-flare: sub-arcsecond resolution observations of Fe XXI 1354.1
界面区成像光谱仪(IRIS)是第一台通过Fe XXI $λ$ 1354.1禁线的成像光谱以亚角秒空间分辨率观测$\sim 10$ MK等离子体的太阳仪器。IRIS对2014年3月29日17:48 UT发生的X1级耀斑的观测显示,来自耀斑带和耀斑后环拱廊的Fe XXI发射。Fe XXI出现在所有的色球带位置,虽然通常有一个光栅(75秒)的延迟,有时偏移高达1 $^{\prime\prime}$。100- 200 km/s的$^{-1}$蓝移被发现在最明亮的丝带,表明热等离子体上升到日冕。Fe XXI的带状发射是紧凑的,空间范围为$< 2^{\prime\prime}$,并可以延伸到色球带的位置之外。发现在远离带状位置的方向上蓝移减少和增加的实例,并且在耀斑峰之后蓝移存在至少6分钟。在大气成像组件(AIA)131毫米滤光片图像中看到的耀斑后环拱廊主要由Fe XXI组成,表现出明亮的环顶,强度分布不对称。环顶的大小由$\ge 1^{\prime\prime}$的IRIS分辨,环顶的线宽并不比环腿宽,这表明环顶不是增强湍流的场所。环形拱廊中的视线速度通常为$<10$ km s $^{-1}$,平均非热运动从耀斑峰值时的43 km s $^{-1}$下降到6分钟后的26 km s $^{-1}$。如果假设环拱圈中的平均速度是静止的,那么它就意味着$1354.106\pm 0.023$的Fe …
Spectroscopic Observations of Magnetic Reconnection and Chromospheric Evaporation in an X-shaped Solar Flare
我们提出了在一个非典型的X形耀斑(SOL 2014 -11- 09 T15:32)期间,由界面区域成像光谱仪(IRIS)观测到的不同位置的不同紫外光谱特性的观测结果。在这个耀斑中,出现了四条色球带,并会聚在一个X点,那里有一个分离器被锚定。在X点上方,两组非共面冠状环横向接近并在分离器处重新连接。IRIS狭缝位于X点附近,穿过一些扩口带和环。在分离器附近,Si IV 1402.77 A线表现出明显加宽的线翼,延伸到200 km/s,但线芯没有移动。这些光谱特征表明可能与分离器重连有关的双向流动的存在。而在耀斑带中,热的Fe XXI 1354.08 A谱线出现蓝移,冷的Si IV 1402.77 A,C II 1335.71 A和Mg II 2803.52 A谱线出现明显的红移,红移速度可达80 km/s,这与色球蒸发/凝结的情况相一致。
The fast filament eruption leading to the X-flare on March 29, 2014
我们调查了导致太阳X1耀斑的事件序列SOL 2014 -03- 29 T17:48。由于与地面Dunn太阳望远镜和IRIS、Hinode、RHESSI、STEREO和SDO航天器对X耀斑进行了前所未有的联合观测,我们可以从光球层到日冕的许多太阳层进行采样。在先前磁通量出现的区域上方观察到暗条爆发,这可能导致磁场配置的变化,从而导致X耀斑。这是从硬X射线发射的时间和位置得出的结论,它在灯丝加速后不到一分钟就开始增加。在耀斑发生前的至少一个小时,暗条在色球温度下的多普勒速度为2-5 km s $\sim$,大部分是蓝移,但在其脚点附近也有红移。在耀斑爆发前15分钟,其色球多普勒频移增加到6-10 km/s $\sim$,可以观察到等离子体加热,然后以至少600 km/s $^{-1}$的速度升空,如IRIS数据所示。与以前的研究相比,这种加速度($\sim$ 3-5 km s $^{-2}$)非常快,而速度在日冕物质抛射的常见范围内。一个有趣的特征是在喷发的丝状体附近有一个低洼的扭曲的第二丝状体,它似乎没有参与喷发。在耀斑带开始在第二个灯丝的每一个侧面,它似乎已经解开和消失在耀斑。这些观测结果是迄今为止X级耀斑的一些最高分辨率数据,并揭示了一些尚待解释的小尺度特征。
Investigating the propagation of small-scale flare energy in the lower and upper atmosphere of solar active region
Physical Research Laboratory(物理研究实验室);Indian Institute of Technology Gandhinagar(甘地纳加尔印度理工学院);University of Cambridge(剑桥大学);University of Sheffield(谢菲尔德大学);Eötvös Loránd University(罗兰大学);Gyula Bay Zoltán Solar Observatory (GSO)(久拉·巴伊·佐尔坦太阳观测站)