地質地球所揭示高能粒子在外日球層的傳播特徵

2021-01-16 中國科學院

　　行星際輻射是行星物理的重要研究內容。行星際輻射主要由太陽高能粒子和銀河宇宙射線組成，其對深空探測活動產生重要影響，成為行星科學及其工程技術方面的重要研究課題。例如，嫦娥四號、火星一號及國際上正開展的Parker Solar Probe、Solar Orbiter、IMAP等深空探測計劃幾乎無一例外地載有高能粒子設備，通過獲取數據對相關科學問題進行研究。

　　高能粒子在行星際空間中的傳播過程是一個基礎性科學問題，涉及若干基本物理過程。在行星際空間中，湍動磁場將使高能粒子進行擴散運動，與此同時，空間變化的行星際磁場對高能粒子產生絕熱聚焦作用。這兩種作用相互影響，共同施加於高能粒子傳播過程，在實際場景中很難將其區分開來。前人往往對空間變化的行星際磁場中的高能粒子擴散係數進行理論計算，而很難將高能粒子擴散與絕熱聚焦作用及其傳播效應進行具體呈現。中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理重點實驗室副研究員何宏青與中科院院士萬衛星通過數值求解五維Fokker-Planck傳播方程，揭示了高能粒子擴散作用與絕熱聚焦作用對高能粒子傳播過程、空間分布及徑向演化的重要影響，並重點研究了高能粒子事件在外日球層的傳播特徵，發現了若干奇特高能粒子現象（沿徑向傳播，沿磁力線傳播，「洪水」現象等）並予以理論解釋（圖1，圖2）。研究進一步釐清了擴散機制與絕熱聚焦機制的主要作用區域及協同演化情形。研究結果重現了目前已有衛星觀測現象，並將用於預測後續深空探測計劃的觀測結果。

　　研究成果發表於The Astrophysical Journal Letters。

　　論文連結

　　圖1 太陽高能粒子事件在內、外日球層的徑向演化過程。上圖為多衛星觀測數據，中、下圖分別為沿徑向與沿磁力線的數值模擬結果。高能粒子「洪水」現象（前稱「水庫」現象）在數值模擬中得以定量重現。沿磁力線的高能粒子通量隨日心距離增大而減小（在較大日心距離處，粒子通量劇烈減小），而沿徑向的高能粒子通量在較遠外日球層隨日心距離增大而增大。這一反直覺現象可用擴散機制與絕熱聚焦機制的相互作用解釋

圖2 高能粒子事件峰值通量在內、外日球層的徑向演化。擴散機制與絕熱聚焦機制的相互作用使高能粒子在外日球層的演化呈現奇特性與複雜性

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