太阳高能粒子(SEP)传播数值模拟中的太阳风背景场研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心) | 被引量 : 3次 | 上传用户:yidao
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太阳高能粒子(SEP)的传播和加速机制是空间天气学研究的前沿课题,SEP事件也是一类重要的空间天气灾害性事件。SEP在行星际空间中的传播及演化过程,均与背景太阳风速度和磁场息息相关。先前对SEP传播的数值模拟研究大多以恒定的太阳风速度和Parker螺旋磁场为基础,背景场的设置太过理想。因此,获取更加接近物理真实的太阳风背景场是提高SEP物理模式的关键因素之一。我们的工作基于SEP在行星际空间的传播模型,尝试将Parker太阳风速度解、WIND飞船观测的磁场实时数据、磁流体力学(MHD)模拟得到的三维太阳风速度和磁场数据融入到粒子的传播模型中,研究太阳风速度以及更加真实的磁场分布对SEP在行星际空间中传播的影响。将粒子传播模型中沿径向恒定不变的太阳风速度改为随日心距离r变化的Parker太阳风速度解时,我们发现快太阳风条件下,粒子的全向通量剖面峰值基本不变,但在衰减相期间下降地更快些。分析认为在快太阳风条件下,绝热冷却效应在SEP的衰减相时期发挥了更大的作用,使粒子能量衰减地更快。而在SEP的初始相时期由于扩散效应占主导,可以忽略绝热冷却效应,通量峰值则保持不变。此外,慢太阳风对粒子的通量变化没有显著影响。把WIND卫星观测的磁场数据加入粒子传播模型中时,粒子的全向通量剖面表现出了较明显的变化。具体表现在:全向通量剖面会出现多个峰值、通量值出现不同、各向异性也发生一些改变。分析认为当粒子从负极性的磁力线跳到正极性的磁力线时,投掷角μ如果保持先前的符号,运动方向就会反向,因此需要对磁场极性发生变化的区域进行粒子投掷角μ的修正,修正投掷角μ后计算得到的粒子全向通量剖面与原Parker磁场下的通量剖面保持一致,表明加入真实的磁场时需要对投掷角μ进行修正。把MHD模拟得到的三维太阳风速度和磁场数据耦合到粒子的传播模型当中,我们建立起MHD-SEP混合模型。利用MHD-SEP模型,我们重点研究了太阳风压缩区对粒子传播过程的影响。模拟结果发现:(1)在太阳风压缩区,粒子的全向通量剖面会出现多个峰值。通过分析我们认为是因为在通量抬升的区域存在一个压缩区,此区域内聚焦效应减弱,磁场增强,能够使粒子更容易地改变运动方向而被反射回来,增加粒子被观测者统计到的概率,从而导致通量剖面的抬升。(2)LB用来描述磁聚焦效应的强度。不同于Parker螺旋磁场下LB总是大于零的特征,在MHD背景磁场中,LB既存在正值也存在负值。特别是在压缩区域,(LB-1会发生明显的变化,会显著变小甚至变为负值,进而影响粒子的在行星际空间的运动过程。(3)太阳风压缩区也会影响粒子的投掷角扩散系数,进而影响粒子的全向通量剖面。模拟结果发现太阳风压缩区内的平行平均自由程λ会变小,全向通量剖面也会衰减地更慢。但投掷角扩散系数的改变不会造成通量的多峰结构。(4)我们运用MHD-SEP模型基本再现了STEREO A卫星在2011年3月21日观测到的一个SEP事件的通量特征,模拟结果表明在衰减相期间的压缩区内,不同能量的粒子通量剖面都出现了比较明显的抬升。
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