基于磁流体力学模拟的太阳高能粒子物理模式研究进展

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1、第33卷　第1期天文学进展Vol.33,No.12015年2月PROGRESSINASTRONOMYFeb.,2015doi:10.3969/j.issn.1000-8349.2015.01.01基基基于于于磁磁磁流流流体体体力力力学学学模模模拟拟拟的的的太太太阳阳阳高高高能能能粒粒粒子子子物物物理理理模模模式式式研研研究究究进进进展展展魏稳稳1;2，沈芳1，左平兵1(1.空间天气学国家重点实验室中国科学院空间科学与应用研究中心，北京100190；2.中国科学院大学，北京100049)摘要：太阳高能粒子(SEP)

2、事件是一类重要的空间天气灾害性事件，其数值预报研究在空间天气预报研究中占有很重要的地位。SEP事件主要包括3种类型：与太阳耀斑爆发相关联的脉冲型事件，与日冕物质抛射驱动的激波相关联的缓变型事件，以及同时具有缓变型和脉冲型事件特征的混合型事件。其中，缓变型SEP事件持续时间较长并且高能粒子强度较大，对这类事件的模拟是当前研究的难点。目前针对缓变型SEP事件的模拟工作业已发展了多个理论和数值模型。每个模型都对SEP加速和传播的复杂过程作了基本的假设，这些模型的模拟结果能够部分重现观测到的SEP事件特征。而若要提高预报

3、SEP事件的能力，则需要将描述三维日冕物质抛射驱动的激波模型与描述高能粒子在行星际空间中的加速和传输的模型耦合起来，建立基于接近真实的SEP加速和传播的三维太阳风背景模拟及以激波参数为输入的SEP模型。主要回顾了缓变型SEP事件中粒子的加速和传输方面的研究进展，以及可用于获取CME激波传播参数的磁流体力学太阳风模型研究现状；综述了缓变型SEP事件的激波{粒子模型(shock-and-particlemodel)；最后对未来工作进行了讨论和展望。关键词：太阳高能粒子；激波；MHD太阳风模式；行星际输运中中中图图图分

4、分分类类类号号号：：：P353文文文献献献标标标识识识码码码：：：A1引言太阳高能粒子(简称SEP)事件是能量粒子的通量突然增强的事件，一般可以由人造卫星和地面探测设备探测到。美国国家海洋和大气管理局(NOAA)将SEP事件定义为能量大于l0MeV的粒子在连续15min以上的时间内数目超过l0pfu(cm¡2¢s¡1¢sr¡1)的爆发性收稿日期：2014-05-26；修回日期：2014-09-01资助项目：973项目(2012CB825601)；中国科学院知识创新工程重大项目(KZZD-EW-01-4)；国家自然

5、科学基金(41074121,41174150,41174152,41374188,41474152)通讯作者：沈芳，fshen@spaceweather.ac.cn2天文学进展33卷[1]事件。SEP事件能够产生高通量的高能粒子分布，这不仅会影响航天器的正常运行，而且会对航天员的生命安全造成严重危害。在极端情况下，能量较高的SEP甚至可到达地面，产[2]生地面水平事件(简称GLE)，GLE是一种极端SEP事件，和通常的SEP事件(粒子的能[3]量范围通常在10»100MeV之间)相比，GLE事件中粒子的能量甚至能

6、达到1GeV。[4]SEP事件可分为3类：缓变型SEP事件(GradualSEPevents)，脉冲型SEP事件(ImpulsiveSEPevents)以及混合型SEP事件(MixedSEPevents)。缓变型SEP事件持续时间较长，通常持续数天，能量粒子强度较大，质子含量相对丰富；绝大多数的缓变型SEP事件都伴随着日冕物质抛射(简称CME)所驱动的激波而发生。脉冲型SEP事件持续时间比较短，通常只有数小时，强度较弱，并且电子含量相对丰富，一般认为与耀斑过程相关。另[4]外，Kallenrode指出，有些SEP

7、事件中粒子的成分由脉冲型事件的特征演化为缓变型事件的特征；即一次SEP事件中，耀斑和CME驱动的激波对高能粒子的加速过程可能都有贡献，导致所谓的混合型事件。对SEP事件的实地观测内容包括粒子的组分、电荷态、能谱、强度分布和各向异性分布[5{7]等。表1给出缓变型和脉冲型SEP事件各自的特点，从中可以看出，在脉冲型SEP事件中3He=4He丰度的比值约为1，而太阳风中的3He=4He丰度的比值虽然波动很大但是很少超过0.01，因此脉冲型SEP事件有时也称富氦3电子事件。另外，脉冲型SEP事件的Fe=O比例比正常日冕

8、大气中Fe=O的比例大10倍，这些特征显示耀斑起源粒子在脉冲型事件中占主导地位。缓变型SEP事件中3He=4He以及Fe=O的比例都与日冕大气中的成分比例接[8]近，关于两类SEP事件的特征和区别，Reames于1999年给出了详细的论述。[8]表1缓变型和脉冲型SEP事件的特点缓变型脉冲型粒子质子丰富电子丰富34He=He<0:01约1[Fe=O]=[Fe=O]corn