地質地球所在太陽高能粒子平均自由程研究方面取得新進展

2020-11-22 中國科學院

太陽高能粒子(SEP)又稱為太陽宇宙線，是由太陽偶爾噴發出來的高能帶電粒子，最高可達GeV量級的能量。太陽高能粒子對於在太空中作業的太空人和衛星上的電子元器件均構成嚴重甚至致命的危害，成為影響日地空間環境和空間天氣的一個重要因素。為了規避或減輕太陽高能粒子對人類空間探測活動和生產生活的影響，深入了解太陽高能粒子在行星際空間中的傳播過程和擴散機制是十分重要的。平均自由程是空間物理學中研究太陽高能粒子在日球層傳播過程的一個非常重要的參數，尤其是在空間天氣學的預報研究中。為了得到太陽高能粒子平均自由程，一般採用數值模擬方法，但這種方法需要大量計算資源，非常耗時與低效。

中科院地質與地球物理研究所地磁與空間物理研究室博士後何宏青與合作導師萬衛星研究員建立了一種確定太陽高能粒子帶絕熱聚焦作用平行平均自由程的直接解析方法。該方法可表徵為一個關於太陽高能粒子和太陽風相關物理性質的複合函數，所需各種物理參量均可由衛星在太陽高能粒子到達前直接觀測獲得。因此，該方法可直接、快速確定脈衝型和緩變型事件中太陽高能粒子帶絕熱聚焦作用平行平均自由程和徑向平均自由程，為預測和預報太陽高能粒子事件在行星際空間中的傳播和演化過程提供了一種新的思路，在空間天氣預報研究中將是一個非常有用的工具，在空間天氣預報實踐中具有重要的應用價值和廣泛的應用前景。作為該方法的直接應用，他們還闡明了太陽高能粒子平行平均自由程與各個相關物理參量之間的內在聯繫，並揭示了磁場絕熱聚焦作用對太陽高能粒子在行星際空間中擴散和傳播過程的影響。

該項研究成果近期發表在國際權威的天體物理學期刊The Astrophysical Journal上（He & Wan. A Direct Method to Determine the Parallel Mean Free Path of Solar Energetic Particles with Adiabatic Focusing. The Astrophysical Journal. 2012, 747-1-38, doi:10.1088/0004-637X/747/1/38）。

原文連結

圖1：太陽高能粒子平行平均自由程與日心徑向距離之間的關係。其中，實線和點線分別表示對於各向同性形式的投擲角擴散係數，有、無絕熱聚焦作用的太陽高能粒子平行平均自由程；虛線和點虛線分別表示對於準線性形式的投擲角擴散係數，有、無絕熱聚焦作用的太陽高能粒子平行平均自由程。（圖2同）

圖2：太陽高能粒子平行平均自由程與粒子剛度之間的關係。直接方法所得結果與經典的觀測結果Palmer一致帶（陰影部分）符合較好。

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