【2017年整理】太阳高能粒子的来源.docVIP

太阳高能粒子来源的探索 赵小全 太阳高能粒子是指来自太阳的能量大于10 kev 到能超过10GeV的高能粒子。按能量化分，太阳高能粒子事件通常分为相对论的太阳高能粒子和非相对论的太阳高能粒子事件。不同种类的太阳高能粒子的加速和传输机制也不相同。太阳高能粒子能量很高，其穿透力很强，对卫星的安全和宇航员的安全构成极大的威胁。因此，太阳高能粒子事件加速机制的研究不仅具有科学研究的意义，而且在卫星坑辐射加固、宇航员的安全和卫星的屏蔽设计方面都有很强的指导意义。为此，太阳高能粒子的加速和传输是空间天气研究的主要内容之一。 太阳高能粒子事件爆发的初期，太阳高能粒子的加速地点在日冕。由于太阳高能粒子的观测主要在1 AU附近，因此，太阳高能粒子的日冕加速只能依靠综合观测的资料来推测。目前太阳高能粒子日冕加速源的研究主要通过研究太阳高能粒子的谱、太阳高能粒子的电荷态、太阳高能粒子的日冕逃逸时间，并结合多波段的观测资料等方法来展开。太阳高能粒子日冕逃逸时间的计算是研究太阳高能粒子日冕加速的重要方法之一，也是常用方法之一。 在近地空间环境中，太阳高能粒子辐射主要来源包括两类，一是太阳或银河宇宙射线，二是地球辐射带捕获的粒子。其中太阳宇宙射线绝大部分是与质子组成的。 光电倍增管（PMT）是空间光学探测英应用的重要探测器之一。太阳高能粒子对真空紫外PMT的影响主要有两方面。一是空间高能粒子对飞行器中真空紫外PMT的总剂量效应。对总剂量效应有贡献的高能粒子主要源于 Van Allen 带的捕获电子、捕获质子和太阳质子事件，其与物质的作用机制有碰撞（电离和激发）和次级辐射。【1】总剂量效应会导致电子元器件性能参数衰退。当累积的剂量超过期间允许剂量时，会是电子器件的性能迅速衰退，造成其功能和性能的迅速下降直至全部丧失【2】。此外高能粒子会穿过PMT窗，或穿透管壁直接轰击光阴极和第一、第二倍增极产生暗计数，导致灵敏度下降。因此，为了降低空间高能粒子带来的严重影响，保障星载真空紫外PMT的正常工作，需要对PMT采取合适的屏蔽措施。 在第23太阳活动周之前, 人们认为太阳耀斑是最剧烈的太阳活动, 因此, 在1995年以前, 在太阳高能粒子加速和相对论太阳高能粒子加速机制方面, 尽管有人认为日冕物质抛射驱动的激波可能是某些太阳高能粒子事件的主要加速机制, 但多数人还是认为太阳耀斑是太阳高能粒子的主要加速源。 太阳高能粒子事件主要有两种, 一是脉冲型的太阳高能粒子事件 , 二是缓变形的太阳高能粒子事件。冲型太阳高能粒子事件的太阳源主要分布在日面西半球的位置, 这类事件的日冕加速源为太阳耀斑. 太阳耀斑是非常剧烈的太阳活动现象，是发生在太阳表面局部区域中突然和大规模的能量释放过程。在其爆发过程中，磁场能量转化为等离子体的动能和热能，部分电子和粒子被加速。从磁重联区域释放并向下注入到耀斑环中的非热电子和粒子经过沉降、俘获、逃逸、碰撞、辐射、热化等过程，这些过程统称为非热粒子的动力学过程。在非热粒子动力学过程中，伴随有丰富的爆发现象，其中，高能电子产生射电爆发、硬X射线、Hα波段的爆发等，高能质子、离子等产生γ射线爆发。 Takakura 和Kai通过分析微波爆发衰减相的流量曲线和流量谱的演化特征，得到了初始注入非热电子的能量分布，并且首次把磁场俘获的思想应用到太阳物理学的研究领域中。他们认为在非热电子输运过程中，大部分电子可能被磁镜俘获。非热电子的俘获模型中必然出现电子的沉降过程。非热电子的动力学过程由以下几部分组成：加速、注入、俘获、和沉降、能量损耗。其中电子加速是指电子被加速之后，非热电子从加速区域向外输运，丛耀班环的顶部进入耀斑环的过程。俘获和沉降是同时进行的，被注入的非热电子分为两部分：一部分在耀斑磁环中做自由回旋运动，另一部分被俘获，束缚在两个磁镜点之间，并且在运动过程中；由于能量损耗，从俘获区逃逸，再次沉降到色球层。当非热电子达到色球层时，与周围稠密的等离子体相互作用，辐射电磁波并被热化，最终停留在色球层 或者更底层太阳大气中。 通过分析热电子在输运过程中的时间特征（加速时间、飞行时间、捕获时间等）、密度（注入电子、直接沉降电子、俘获电子、二次沉降电子等的密度）以及谱特征，可以理解耀斑过程中，电子加速、磁场结构演化、波—粒相互作用、俘获电子逃逸、日冕加热等物理过程，进一步分析和研究太阳耀斑磁场结构模型提供理论和观测依据。 一般认为耀斑的能量起源于日冕,耀斑的色球加热仅是次级效应。加热的途径主要有两种:非热电子/ 质子的轰击和热传导。色球加热后导致谱线内的辐射增强,但不同的加热途径所产生的光谱特征是不同的。 太阳耀斑粒子的散射性。太阳高能粒子的原成分不是日冕物质而是高色球层物质。在加速去，太阳耀斑粒子与背