太阳高能粒子平均自由程在三维MHD背景场的相关研究

发布时间：2020-07-09 16:42

【摘要】：空间物理学是人造卫星上天后迅速兴起的一门学科。空间天气学作为空间物理学的一部分,特别是空间灾害性事件对人类的生产生活有着极其重要的影响。太阳高能粒子(Solar Energetic Particle,SEP)是一类重要的空间灾害事件,它不但会导致航天器损害、威胁航天员生命,甚至还会造成通信中断导航失灵,影响人类的经济活动以及生活。因此如何对SEP进行准确的预报一直是空间天气学研究的重要课题之一。当前对于SEP的传输过程,使用的传输模型一般以恒定太阳风速度或Parker螺旋磁场为背景,其优势在于可以有效地简化预报过程从而提高预报的时效性。但随着计算机水平的发展使人们对预报精度提升有了较高需求,根据真实的日球层作为传输背景的模拟将更为重要。本文使用的MHD-SEP模型中,对SEP的传输使用三维MHD太阳风背景场。该模型的背景场可以反应行星际背景太阳风中的主要物理现象,如1AU以内的高速流和低速流之间的相互作用、前向激波和后向激波、激波的相互作用区、日球层电流片的三维结构等,这些均是传统模型所不能体现的。本文充分利用该模型三维太阳风背景场的优势,主要进行了如下工作:(1)对平均自由程使用多种求解模型,分析在该模式中的最优模型;(2)测试了该模式下对影响平均自由程的相关自由参数敏感度;(3)在太阳活动高年与低年对太阳高能粒子的平均自由程进行了定性分析。我们使用该模型得到与前人相符的平均自由程的空间分布规律。并得到了如下结论:(1)MHD背景场下不同的平均自由程求解模型对SEP的粒子通量有明显影响,故选择适合于模式的求解模型尤为重要,我们使用的求解模型与实际观测更吻合;(2)在MHD背景场中,平均自由程相关自由的参数的取值对粒子的全向通量影响较大,各向异性影响不大,可满足定性分析的需要,为未来的定量分析工作打下基础;(3)该模式下可以反应平行平均自由程在不同的事件中的空间分布规律,对SEP相关研究有重要的参考价值;(4)平均自由程与太阳风径向速度有明显的负相关关系,这一结论将SEP与背景太阳风场联系起来,同时也为加入更复杂CME的背景太阳风场下SEP的研究提供基础。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P35
【图文】：

分布情况,太阳黑子,纬度,蝴蝶图

图 1.1 年份-纬度太阳黑子变化图（蒙德蝴蝶图），从中纬度开始，太阳黑子的分布情况在周期过程中向赤道移动，在周期结束时接近赤道Figure 1.1 Time-latitude plot of sunspots (Maunder butterfly diagram) ,start from middlesolar latitudes, migrates equatorward in the course of the cycle and are close to the equatorat the end of the cycle空间天气在 80 年代末 90 年代初被提出来，是指在太阳表面、日地空间和地球磁场、高层大气中能够影响天地基技术系统性能与可靠性、危及人类健康与生命的变化物质条件综合状况。在经历了第 23 个太阳活动周（1996-2008），一连串的卫星失败、供电网络崩溃、GPS 系统广泛应用和被干扰，以及“万圣节事件”后，国家、政府、社会均开始对空间天气引起重视，并意识到空间环境诱发的灾害将随技术的发展而日益严重。在 1994 年，为了解决空间环境对技术系统的可

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图 1.3 银河宇宙线平行平均自由程与粒子刚度的关系，实心表示电子观测结果，空心表示质子的观测结果。圆圈表示实际值, 向上的三角形表示下限值。阴影带是 Palmer(1982)提出的观测的结论。虚线代表了标准准线性理论对平板几何条件下静磁场无耗散湍流的预测(Bieber，1996)Figure 1.3 Cosmic-ray parallel mean free path vs. particle rigidity. Filled and open symbolsdenote results derved from electron and proton observations, respectively. Circles andupward-pointing triangles denote actual values and lower-limit values, respectively. Theshaded band is the observational consensus enunciated by Palmer(1982). The dotted linerepresents the prediction of standard quasi-liner theory for magnetostatic, dissipationlessturbulence with slab geometry(Bieber，1996).上述“平板模型”的几何模型是轴对称的，前人对非轴对称的的粒子散射同样进行了广泛的讨论，有下列几种模型：各向同性模型（Hasselmann et al.，1968；Fisk et al，1974；Kunstmann，1979），斜波模型（Lee et al.，1975；Jones et al.，

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