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太阳高能粒子(SEPs)是太阳爆发过程中能量剧烈释放的一种表现。受不同加速机制的作用,带电粒子或电子通常在从太阳低层大气到行星际的广泛空间尺度上被加速到10 keV/nucl到GeV/nucl的能量,沿着扇形磁场向地球行进。这些高能粒子严重干扰了人类的活动,所以对粒子加速机制的研究,特别是对激波加速的研究,对即时预警空间灾害性天气,并尽可能减少由此带来的损失,有着极其重要的实际意义。
第一章首先介绍了太阳高能粒子(SEPs)对人类活动的干扰,例如微波通讯、航空和航海导航乃至地面的电力供应系统等都会受到严重影响,然后介绍了SEP事件的分类:脉冲事件和缓变事件,两类事件在时间轮廓、电离度及元素丰度以及加速机制方面有着巨大差异。普遍认为CME驱动激波是缓变SEP事件的主要加速机制。
第二章对激波加速粒子的观测进展进行了总结。通过对日冕物质抛射的观察以及对几个典型事例的观测对SEPs携带的诸如能谱、电离度、元素及同位素丰度等信息进行了解读,分析研究了SEPs的性质和粒子加速的物理过程,重点讨论了激波加速在观测中的角色。
第三章讨论了扩散激波加速理论以及数值模拟的进展。激波漂移加速和扩散加速是二种主要的激波加速机制,并且扩散激波加速从解析和数值模拟两个方面已得到广泛研究,在忽略加速粒子对激波结构的影响下主要采用试验粒子方法,混合模拟和蒙特卡罗模拟方法在数值计算.中也是经常被使用。
第四章通过数值求解一维扩散方程探讨在准平行激波传播条件下激波厚度对粒子加速的影响,研究粒子分布函数的演化与激波厚度内禀关系。结果表明:(1)考虑激波厚度时,粒子能谱呈单幂律分布,谱指数明显依赖于激波厚度,随着厚度增大,低能端(3-10 MeV)谱指数从2.1增大到3.7,能谱逐渐变软;随着初始注入动量的增大,质子能量分布谱指数从4.3减小到3.1,且与零厚度激波加速的谱指数差值缩小;当厚度不变时,随着压缩比r从2增大到4,基本达到稳态分布时的粒子能谱指数逐渐从4.0减小到1.8。
第五章通过数值求解包含二阶费米加速的一维扩散方程,探讨在准平行激波条件下级联阿尔芬波对粒子加速的影响,研究粒子分布函数的演化与阿尔芬波强度的内禀关系。结果表明:粒子在低能处(3-10 MeV)的谱指数随时间的增大从1.1减小到0.6,能谱变平,拐点能量值从7.5 MeV增大为19.6MeV;随着波能量密度增大,谱指数从5.8减小到2.9,阿尔芬波强度越大,加速效率也越大。