太阳爆发中激波扩散加速机制的探讨

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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。受不同加速机制的作用,带电离子或电子通常在从太阳低层大气到行星际空间的广泛空间尺度上被加速到10 keV/nucl到GeV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,对我们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,然后总结了SEPs事件分为脉冲和缓变二种类型,它们对应于不同的太阳活动:通常前者与耀斑相关,后者则与日冕物质抛射(CMEs)联系。快速CMEs产生的激波加速带来粒子将产生缓变SEP事件。 第二章对激波加速粒子的观测进展进行了总结。在太阳耀斑和CMEs的观测中,无论是X射线爆发,γ射线爆发以及微波爆发,无不与高能荷电粒子的行为有关。通过解读SEP携带的诸如能谱、电离度、元素及同位素丰度等信息,以及对日冕物质抛射的观察,就可以了解SEP的性质和粒子加速的物理过程。 第三章总结了激波加速理论方面以及数值模拟方面的进展。对无碰撞激波中的粒子加速一直是理论研究所感兴趣的课题。激波加速机制主要分为两种:激波漂移加速和激波扩散加速。前者主要适用于垂直激波条件下电子的加速;后者主要适用于平行激波条件下离子的加速。激波加速理论的大多数研究都是采用试验粒子方法。在对激波加速粒子的数值模拟中研究较多的是对扩散激波加速粒子的模拟。 第四章中,我们在准平行激波传播条件下,建立数值求解一维输运方程的方法,探讨加速离子分布与激波和背景等离子参数之间的关系。取扩散系数分别为常数和能量的函数、有限自由逃逸边界的计算结果表明:(1)随着加速时间的增大,高能粒子近似呈双幂律分布,低能端(3-10MeV)谱指数从10.2减小到2.4,能谱逐渐变硬,粒子被激波加速后能量增大;(2)当激波压缩比从2增大到4,相同时间同一能量范围粒子能谱谱指数从3.2减小到2.2,能谱逐渐变硬,表明激波强度的增大使得加速效率增大;(3)上下游逃逸边界由5减小到2后,粒子能谱谱指数由2.4增大到3.3,粒子的加速效率减小;(4)当粒子注入能量增大时,粒子能谱谱指数由2.4变小到0.9,加速效率增大;(5)当扩散系数与能量成正比时,粒子能谱指数由2.2增大到4.3,能谱变软。
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