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太阳高能粒子(solar Energetic Particles,SEPs)是太阳爆发过程中能量剧烈释放的一种表现。SEPs与地球大气作用,会产生广泛的地球物理效应,比如极光、地面水平增加(Ground Level Enhancement,GLE)等。同时SEPs也是影响空间环境的重要因素。所以SEPs事件及其相关物理过程的研究,对我们即时预警各种空间灾害性天气,并尽可能减少由此带来的损失,有着极其重要的实际意义。
文章的第一章介绍了人们对SEPs事件认识的发展过程。一开始,人们认为SEPs仅仅是耀斑过程的产物。而日冕物质抛射(coronal Mass Ejections,CMEs)与SEPs高相关性的发现,使人们逐渐认识到对应不同的太阳活动,存在不同的SEP事件。于是脉冲事件和缓变SEP事件的概念被提出来,前者与耀斑相关,后者则与CMEs相关。两类事件在持续时间,经度分布,元素丰度和电离态等方面都存在着极大的差异。
第二章讨论了分别对应与缓变和脉冲SEP事件的不同加速机制。缓变事件中,激波加速是产生SEPs的主要机制。根据激波法向与磁场夹角的不同,激波加速又可分为准平行加速和准垂直加速。这两种加速过程可以在一个SEP事件的不同阶段分别出现。而为了解释脉冲事件中3He的异常丰富,人们提出各种波-粒子共振模型,比如静电离子回旋(ElectroStatic Ion Cyclotron, ESIC)波或电磁离子回旋(Electro Magnetic Ion Cyclotron, EMIC)波等。这些波与<3>He发生共振吸收,选择性地加热或加速<3>He,使<3>He的丰度得到极大的提高。
第三章对当前纯粹脉冲或纯粹缓变SEP事件的分类提出挑战。首先,脉冲和缓变事件中与太阳大气互作用的粒子都来源于相同的耀斑加速过程。其次,实际的日冕磁场高度纤维化,并不能完全束缚CMEs下方的耀斑加速粒子。对一些大型缓变SEP事件的电离态、元素丰度测量,也表明了其中的确存在来自耀斑加速成分。而在一个事件中看到从脉冲成分逐渐向缓变成分的过渡,更加直接地证明了“混合”SEP事件的存在。
在第四章中,我们利用GOES卫星和SOHO/LASCO的质子事件和耀斑CMEs资料,分析了2000年7月到2002年4月间14个大型SEP事件。通过分析我们发现,在最大的一些SEP事件中确实存在“混合”事件,这些事件同时伴随强耀斑和CMEs。耀斑过程中所加速的粒子沿着开放磁力线逃逸,在事件的最初阶段形成直接的脉冲成分。随着事件的发展,脉冲成分逐渐向缓变成分过渡。同时,与SEP事件相关的很宽的CMEs对SEPs的加速和传输起了重要的作用,特别是在弱连接事件中。这一因素在以前却常常被忽视。
在第五章中,我们讨论了SEPs跟日冕扰动的关系。通过对2003年10月到11月间三个太阳剧烈爆发的研究,我们发现,在“混合”SEP事件中,大尺度的日冕扰动可以形成高度开放的磁场结构,使得大量耀斑过程中被加速的即时SEPs逃逸,构成“混合”事件中的直接脉冲成分。而且这种大尺度日冕扰动还为“混合”事件中即时阶段以后的激波加速提供了大量的中低能SEP种粒子。
在第六章中,我们证认了大尺度日冕扰动的驱动源。通过对“巴士底”日事件中日冕和行星际射电资料的分析,我们发现在这个事件中,行星际激波是日冕激波向外延伸的结果,CME则是这两个激波共同的驱动源。我们认为,强磁重联过程通常发生在低日冕,由此触发的大型CMEs也产生在较低的日冕层次。这种CMEs在抛射过程中一方面引发大尺度的日冕扰动,另一方面在低日冕中驱动日冕激波。而当CMEs进入行星际空间后,行星际激波也开始被驱动。所以这种同时驱动日冕和行星际激波的CMEs,成为“混合”事件中大尺度日冕扰动驱动源的最佳候选者。
第七章在总结以前工作的同时,对今后的工作提出展望。为了对SEP事件的整个过程作出定量化的描述,我们需要更高时间分辨率、更高空间分辨率和更高能量分辨率的观测。