23太阳周太阳高能粒子地面增强事件能谱的研究

发布时间：2020-10-09 08:30

　　由太阳活动引起的空间天气事件会对空间环境和地球环境造成巨大的影响,给航天活动和人类生活带来严重的威胁,研究和预防空间天气效应是当前非常重要的任务。太阳高能粒子(SEP)事件是空间天气的组成部分,这些高能粒子来源于太阳耀斑爆发以及日冕物质抛射(CME)驱动的激波加速日冕物质或太阳风等离子体。在极端的SEP事件中能量达到Ge V的粒子能够到达地球大气层并发生级联反应产生大量的次级粒子,这些次级粒子会引起地面宇宙线(GCR)中子台站的计数增强,因此将极端的SEP事件称为太阳高能粒子地面增强(GLE)事件。SEP事件的能谱可以被用来计算其辐射剂量,因此研究GLE事件的能谱对预防空间天气灾害事件具有重要的意义,同时可以促进人们对高能粒子的起源、加速和传播机制的理解。23太阳周一共发生了16个GLE事件,多颗卫星为这些事件提供了丰富的观测数据,从而促进了对GLE事件的研究。Mewaldt等人基于多颗卫星对高能质子从～0.1 MeV到500-700 MeV能量范围内通量的观测,测试了3种能谱公式在拟合23太阳周GLE事件能谱时的效果。他们的研究表明在观测能量范围内,双幂律谱函数最适合表示GLE事件的能谱,并且得到了这些GLE事件的能谱参数值。双幂律谱有4个能谱参数,即归一化参数C、低能段谱斜率γ1、高能段谱斜率γ2以及中断能量E0。本文根据这16个GLE事件的能谱参数值并且结合其他观测数据对GLE事件的能谱进行了研究。由于有3个事件的能谱受到了一些因素的影响,为了简单起见,我们仅分析剩下的13个GLE事件。根据行星际激波对高能粒子加速程度的强弱我们将这13个GLE事件分为两类,并且发现了3种方法可以确定行星际激波对高能粒子加速程度的强弱。通过对能谱参数进行统计分析,我们建立了这两类GLE事件的能谱参数经验模型,结合双幂律谱公式我们就得到了GLE事件的能谱预报模型。将该预报模型对在22太阳周和24太阳周选取的7个GLE事件进行能谱预报,预报的结果验证了我们的模型对耀斑经度大于西经40度的GLE事件在～6 MeV到100-200 MeV能量范围内具有较好的预报效果。
【学位单位】：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
【学位年份】：2018
【中图分类】：P353.7
【部分图文】：

黑子数,无线通信,信号强度,空间天气

天气效应世纪 30 年代发展起来的电报技术级大地促进了世界各地之类社会的进步，而电报作为第一种远距离电子通信技术则让究空间天气。空间天气是指由太阳活动引起的空间环境变化会在导体内产生感应电动势，而电报通信需要将地球作为长机，因此由空间天气造成的地磁场变化会在地球内部产生地magnetically-Induced Currents, GICs）从而严重干扰电报机的tti, 2017)。GIC 不仅会干扰电报，还会影响到一切存在长导如远距离输电线、输油管。由空间天气引起的地磁暴导致的年 3 月的“魁北克事件”，该事件导致加拿大魁北克省的电力, 2001)，损失超过一千万美元。此次事件及 2003 年的“万圣节长导体地磁暴效应的研究大幅增加 (例如, Bolduc, 2002; Kaik et al., 2009)。

空间辐射效应,航天器

气引起的电离层闪烁还会影响卫星导航的正常工作 (Cerruti et al., 2006, 2008)。在太空中充斥着大量来自太阳和银河系的高能带电粒子，这些粒子形成了复杂的空间辐射环境，对航天器构成了巨大的威胁。如图1.2所示为空间辐射对航天器的影响。空间天气还会影响地球大气层特性的变化，如密度、温度等，这些变化对预测和调整低轨道卫星的运行状态非常重要 (Lanzerotti, 2017)。图 1.2 空间辐射效应对航天器的影响。图片引自Lanzerotti (2017)。Figure 1.2 Space radiation effects on spacecraft. Adopted from Lanzerotti (2017)由于在飞机飞行高度上的磁场和大气的屏蔽作用较小，飞机飞行的途中会遭受银河宇宙线（Galactic Cosmic Ray, GCR）的辐射 (例如, Knipp, 2017)，特别是经过极区的飞行路线遭受的辐射会更多。此外，来自太阳爆发的太阳高能粒子（Solar Energetic Particle, SEP）也会对极区飞行产生大量的辐射效应 (例如,Kataoka et al., 2015)。2

太阳高能粒子

另一类是高能粒子来自 CME 驱动的激波加速日冕物质或太阳风等离子体的缓变型事件。这两类事件在持续时间、元素丰度、电离态等方面具有很大的差别 (Reames, 1999, 2017; Cliver, 2009)，如表1.1所示。图1.3展示了人们对 SEPs起源认识的转变。图 1.3 对太阳高能粒子起源认识的转变。图片引自Reames (1999)。Figure 1.3 Change in understanding of the origin of SEPs. Adopted from Reames(1999).3

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