空间中心科研人员用数值模拟探究行星际大尺度结构对太阳高能粒子分布的影响

随着航天、通讯等领域的发展，高能粒子对人类的影响越来越广泛深入，于是有了越来越多理解与准确预测它们的需求。在太阳系中，太阳是最有效的天然粒子加速器。太阳高能粒子（SEP）从太阳产生之后在行星际传播。传播过程不仅受到湍流等微观上的影响，也会受到行星际大尺度结构的宏观影响。影响SEP分布的因素众多，但观测到的情况有限。有不少让人费解的观测现象，比如，SEP峰值强度在经向为何呈手指状分布？不同的观测中SEP峰值强度的径向变化为何差异这么大？也有一些问题让人好奇，比如，在背景场结构的众多参数（太阳风速、太阳磁轴与自转轴夹角、快速流的宽度等）中，哪些对SEP的影响较大？都会有哪些影响？

针对这些问题，中国科学院国家空间科学中心（以下简称“空间中心”）太阳活动与空间天气重点实验室沈芳研究团队试图用数值模拟的方式找到答案。这项研究使用磁流体力学（MHD）模型模拟出的三维太阳风背景结构。所构造的三维太阳风背景包含一个典型的行星际大尺度结构（图1）：共转相互作用区（CIR）。不同快慢太阳风速、太阳磁轴与自转轴夹角、快速流宽度的背景场都被构造出来。然后在靠近太阳的位置入射SEP虚拟粒子，研究 SEP 在行星际的传播与分布如何受到这种结构的影响。该研究用聚焦传输方程（FTE）来描述粒子传播的过程，用前向随机微分方法来求解FTE。

图1 该研究所使用的背景场示意图。带箭头的实线表示足点纬度为零、经度为180度至360度的磁力线。颜色图表示径向太阳风速。

研究的结果表明，CIR背景结构对SEP的经向与径向分布均有影响。大尺度背景结构可能是SEP强度峰值呈手指状分布的原因之一，也可以用来解释观测到的SEP强度径向分布的差异。另外，SEP的能谱也会受到CIR结构的调制。CIR结构的影响下，不同径向位置的能谱指数也出现了很接近情况（图2）。

图2 黑色圆圈表示在0.3-1.0 AU 的径向距离范围内，SEP峰值强度随日心距分布用经验公式所拟合的幂律指数α值随经度的变化。经验函数不适用的数据被剔除。蓝色虚线表示1AU处径向太阳风速随经度的变化。

进一步的参数研究表明，CIR的特征参数之间互相关联，不同特征参数在不同方面影响SEP的加速和强度的时空分布。SEP的加速效应在反向压缩区主要受太阳风速差异的影响，而在正向压缩区主要受慢（平均）太阳风速的影响。太阳风的速度极大地影响了SEP强度的经向分布、事件早期强度的径向分布以及事件后期强度随时间的变化。太阳磁轴与自转轴夹角主要影响SEP强度经向延伸的宽度。一旦超过60度，夹角的变化对SEP的调制作用差异就很小了。快速流的宽度主要影响SEP的经向分布，包括变化幅度和宽度。

综上，在研究或预测 SEP 事件时，考虑行星际空间大尺度结构的条件十分重要。SEP在行星际的传播在不同程度、不同方面受到背景结构参数的影响。该研究扩展了之前关于CIR结构对SEP的影响的数值模拟工作，并为预测SEP事件提供了一些经验，为以后进一步研究更复杂的行星际结构与更多SEP过程打下基础。

以上研究成果发表在2024年EPP及Universe上，第一作者为空间中心朱雨及博士，通讯作者为沈芳研究员，合作者还包括山东高等技术研究院罗熙研究员、哈工大（深圳）汪洋博士以及空间中心唐勃峰博士等人。该项研究受到国家自然科学基金重点项目、科技部国家重点研发计划以及中国科学院B类先导专项等项目的联合资助。

论文信息：

1.Zhu, Y. J., Shen, F., Luo, X., Wang, Y., and Tang, B. F. (2024). Solar energetic particles intensity variations associated with a tilted-dipole 3D corotating interaction region. Earth Planet. Phys., 8(5), 797–810. http://doi.org/10.26464/epp2024049

2.Zhu, Y.; Shen, F. Solar Energetic Particles Propagation under 3D Corotating Interaction Regions with Different Characteristic Parameters. Universe 2024, 10, 315. https://doi.org/10.3390/universe10080315

（供稿：天气室）