外日球层太阳风 - 空间天气学国家重点实验室.pdf

第 卷　第 期 天 文 学 进 展 年 月 外外外日日日球球球层层层太太太阳阳阳风风风“““磁磁磁流流流体体体－－－能能能量量量粒粒粒子子子””” 强强强耦耦耦合合合系系系统统统的的的数数数值值值模模模拟拟拟 熊 明 ，李 波 中国科学院 国家空间科学中心 空间天气学国家重点实验室 课题组，北京 ； 中国科 学院大学，北京 ； 山东大学 空间科学研究院 山东省光学天文与日地空间环境重点实验室，威海 摘要： 日球层是指以超音速径向外流的太阳风在周围星际介质中所占有的空间范围。磁化太阳 风和星际介质的相互作用形成终止激波、日鞘区、日球层顶。在外日球层，太阳风中存在宇宙线 能量粒子辐射背景以及螺旋形行星际磁场、行星磁层等准稳态结构。太阳风离子与星际中性氢原 子通过电荷交换生成太阳风拾起 离子和能量中性原子 ， 导致外日球层太阳风的加热和减速。外日球层太阳风宏观磁流体动力学与 辐射场是强烈耦 合的， 携带其原属离子群的成分及能量信息并且在日球层内直线运动。 辐射是遥测广 袤日球层的远程探针，该辐射在全天球范围内的成像能描绘外日球层在粒子多能段的全景肖像。 辐射磁流体理论被应用于描述日球层大尺度动力学和能量粒子加速及传输的多尺度耦合。认证外 日球层太阳风物理的重大科学问题，阐述该科学问题对辐射磁流体的物理建模及其数值求解的内 禀需求，分析外日球层辐射磁流体数值模拟在国内外的发展脉络和当前现状，提出我国在外日球 层领域辐射磁流体数值模拟的发展建议。 关 键 词：辐射磁流体力学；能量中性原子；外日球层；太阳风 中中中图图图分分分类类类号号号：：： 文文文献献献标标标识识识码码码：：： 引 言 太阳风和日球层的物理概念 太阳风是由日冕连续向行星际空间发出的超音速径向带电粒子流，该太阳风在周围星际 介质 中所占有的空间范围则被定义为日球层。日球层 的概念是由 提出的 ，其可追溯至 最早有关太阳磁场与宇宙线关联的思想 。 收稿日期： ； 修回日期： 资助项目：国家自然科学基金 通讯作者：熊明， 天天天 文文文 学学学 进进进 展展展 卷卷卷 日球层内外包括太阳系各行星和所有行星际空间以及邻近星际空间。 年，基于等温膨 胀单流体模型， 提出日冕高温膨胀导致太阳风；基于磁冻结效应，提出太阳风拖曳 日冕开放磁力线形成螺旋形的行星际磁场 。 提出的超声速太阳风的理论预言 被 及飞往金星的 卫星 的实地 测量彻底证实 。 卫星运行于太阳极轨，跨越太阳南北两极区上方，首次实现对地球黄道面以外高纬太 阳风区域进行直接实地探测 。太阳风等离子体流主要由电子和质子构成，也包括少量氦核 及微量重离子成分 。行星际的太阳风速度、磁场强度、电流片倾角等物理参数都与太阳活 动周有关，存在周期性变化。 如图 所示，日球层的结构主要是由太阳风以及星际风相互作用的动态压力平衡的结 − ◦ ◦ 果 。太阳以约 · 的相对速度朝黄道经纬 的方向在星际介质中运动。向