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太阳风研究和仿真 　　摘 要：太阳风是由太阳等离子体流以及随等离子体流运动并蔓延于行星际空间的太阳磁场组成的。它是由太阳日冕和行星际空间巨大的压力差造成的。太阳风研究和仿真的核心就是对太阳风粒子的研究和仿真。本课题建立了太阳风粒子系统模型，解决了太阳风粒子系统仿真驱动；建立了太阳风和太阳高能粒子数据映射模型。 　　关键词：太阳风；研究；粒子；仿真 　　1、引言 　　以地球的标准看，太阳风是热而且非常稀薄的快速等离子体流。它主要是由电离的氢（即质子和几乎等量的电子），以及少量（5%）电离的氦和其他更重的元素构成。嵌在太阳等离子体流中的是一个微弱的磁场，其方向几乎平行于黄道面。本课题运用现代仿真技术和计算机三维图形学技术进行太阳风粒子的研究和仿真。 　　太阳风粒子仿真系统更新循环包括参数更新仿真和渲染仿真两个阶段。在参数更新仿真阶段，采用Update方法进行更新，太阳风粒子发射器在给定的生成区域批量生成粒子，根据生成速度、更新时间间隔对新粒子的数目和三维空间位置进行计算，并初始化每个粒子的速度、纹理颜色和生命周期等。渲染仿真阶段位于更新阶段之后，采用Draw方法进行渲染，粒子可以是经过纹理映射的四边形，也可以是一个像素，甚至是一个球状集合体，选择粒子的表示方式取决于GPU的分辨率和处理能力。 　　2、太阳风粒子运动方程 　　为了描述太阳风粒子的运动，必须选定参照系，并在参照系上建立坐标系。在本系统中，并没有采用黄道坐标系[1]，而是采用自定义的坐标系，定义本坐标系为太阳风仿真坐标系，该坐标系源于黄道坐标系和太阳质心坐标系[2]。 　　太阳风仿真坐标系的x y平面仍然采用黄道平面。黄道是地球绕太阳运行轨道面无限扩展同天球相交所成的天球大圆，是太阳周年视运动路线。经过日心并与黄道面垂直的直线定义为Z轴，Z轴与天球相交的两点分为北极（N）和南极（S）。经过南北极并且同黄道相垂直的天球大圆叫经圈，天球上与黄道平行的小圆叫纬圈。黄道和天赤道相交的两点叫二分点，其中黄道对于天赤道的升交点叫春分点〔γ〕，降交点叫秋分点。黄道上与二分点相距90°的两点叫二至点，其中位于天赤道以北的叫夏至点，位于天赤道以南的叫冬至点。如图1所示，在时刻t，太阳风粒子P在坐标系里的位置采用位置矢量 来表示，如图2所示。 　　图1太阳风仿真坐标系 图2 P点的三维坐标 　　其中矢量 表示位置矢量，坐标x，y，z为太阳风粒子在X、Y、Z坐标轴上的投影，单位矢量 分别为X、Y、Z坐标轴的方向，则位置矢量 为： 　　（1-1） 　　在太阳风粒子运动时，它相对坐标太阳质心原点O的位置矢量 是随时间而变化的，因此 是时间的函数，即： 　　（1-2） 　　公式（1-2）为太阳风粒子的运动方程。通过该运动方程，可研究太阳风粒子运动轨迹、速度和加速度等参数。位移矢量反映了太阳风粒子运动中位置（距离与方位）的变化，如图3所示。 　　P点到P’点的位移 。 　　图3 P点到P’点的位移 　　瞬时速度 定义为： 　　（1-3a） 　　对应的直角坐标 表示为： 　　（1-3b） 　　通过上式求解太阳风粒子速度的大小为： 　　速度的方向用方向余弦表示为： 　　定义太阳风粒子瞬时加速度为： 　　（1-4） 　　用直角坐标表示加速度 　　（3-5b） 　　由上式求解太阳风粒子加速度的大小为 　　方向用方向余弦表示为 　　3、太阳风粒子仿真算法实现 　　仿真中的每个太阳风粒子需要四个顶点或两个三角形形成一个被颜色纹理绘制的矩形点精灵，每一种太阳风爆发仿真都是由许多的点精灵组成。每个粒子都拥有原始的物理属性，如位置，速度，加速度和角速度。粒子将会以点精灵的形式进行渲染。所有的粒子层叠在一起，形成炫目的视觉效果。在粒子系统设计中，采用类Particle描述每个粒子。 　　在Particle中，首先定义了每个粒子的基本属性。 　　public Vector2 Position； 　　public Vector2 Velocity； 　　public Vector2 Acceleration； 　　private float lifetime； 　　public float Lifetime 　　{ 　　get { return lifetime； } 　　set { lifetime = value； } 　　} 　　private float timeSinceStart； 　　public float TimeSinceStart 　　{ 　　get { return timeSinceStart； } 　　set { timeSinceStart = value； } 　　} 　　private floa