内磁层中行星际激波激发的超低频波对“杀手”电子和能量离子的快速加速

辐射带中的能量电子与离子是首要的空间天气威胁. 理解这些粒子如何在辐射带中被 加速是空间物理学的主要挑战之一. 本文总结了行星际激波在内磁层激发的超低频(ULF)波 对“杀手”电子与能量离子的快速加速的最新进展. 甚低频(VLF)波-粒子相互作用被认为是电 子加速的主要机制之一, 这是因为电子回旋共振容易在VLF 波频率范围内发生. 最近, 运用4 颗Cluster 卫星的观测, 发现在行星际激波作用于地球磁层之后, 辐射带中的能量电子几乎立 即被加速, 并且加速过程持续数小时. 传统的加速机制是基于VLF 波粒相互作用加速电子至 相对论能量, 时间尺度长达数天, 因而无法解释我们的观测. 进一步发现行星际激波或太阳 风压强脉冲, 与更加小的动压变化, 对辐射带动力学起到无法忽视的作用. 行星际激波与地 球磁层相互作用会产生许多重要的空间物理学现象, 包括能量粒子加速. 由行星际激波作用 引起的辐射带能量电子的快速加速的机制包括3 个组成部分: (1) 由与激波相关的磁场剧烈压 缩引起的初始绝热加速; (2) 与不同L 壳层被激发的极向模ULF 波造成漂移-共振加速; (3) 与 ULF 波相关的快速衰减的电场引起的粒子加速. 粒子最终会获得净加速, 因为它们在上半个 周期获得的能量多于在下半个周期损失的能量. 本文得到的结果对理解在地球Van Allen 辐 射带中的能量粒子加速有了新的认识, 同样也可以被应用于行星际激波与其他行星的相互作 用, 例如水星、木星、土星、天王星和海王星, 以及其他有磁场存在的天体.     

太阳高能粒子的日冕逃逸时间与日冕加速源

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源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开展. 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源的重要方法之一, 也是常用的方法之一. 结合大量的太阳高能粒子观测与研究事例, 该文详细介绍了太阳高能粒子日冕逃逸时间计算得到的一些重要研究结果, 同时也介绍了每一种方法的特点. 结合典型的相对论太阳高能粒子事件的研究事例, 讨论分析了利用太阳高能粒子日冕逃逸时间推测得到的几个相对论太阳高能粒子事件日冕加速源和可能的实际加速源, 指出了利用太阳高能粒子的日冕逃逸时间推测太阳高能粒子日冕加速源时可能存在的问题.     

一次太阳射电分米波U型爆发的观测特性

太阳射电反转U型爆发,因它在频谱仪上的观测形态象反转过来的U而得名。它对研究太阳耀斑的物质抛射和粒子加速有重要意义。迄今为止,U型爆发绝大多数在低于0.5GHz的频率上出现,在1.1～1.7GHz上只报道了一例。本文中将介绍的在1.0～2.8GHz上的U型爆(见图1和图2),在国际上尚属首例。这是由捷克Ondrejov天文台观测的,时间分辨率可达1ms,频率分辨率为10MHz。     

2000年7月14日与2003年10月28日太阳质子事件的观测比较分析

对2000年7月14日(巴士底事件)与2003年10月28日的太阳质子事件进行了对比分析, 尽管2003年10月28日太阳质子事件的峰值流量比巴士底事件的高, 但行星际观测到, 巴士底事件能量大于10和30 MeV质子的最大强度都高于2003年10月28日相应能量的最大强度. 进一步的研究表明, 巴士底事件CME驱动的激波在2000年7月14日12:00~17:00UT时间段内, 可被加速到能量大于10和30 MeV的种子粒子的数量远比2003年10月28日12:00~17:00UT期间的多. 巴士底事件CME的高度达到约14R_⊙高度时, 其驱动激波加速能量大于100 MeV高能质子的能力达到最大, 而2003年10月28日的CME在约58 R_⊙高度时其驱动激波加速100 MeV质子的能力达到最大, 此时能量大于100 MeV的通量在155 pfu左右, 比巴士底事件能量超过100 MeV高能质子的峰值通量355 pfu要低得多, 说明巴士底事件可被加速到100 MeV以上能量的种子粒子的数量比2003年10月28日的多. 太阳质子事件的峰值流量不仅取决于行星际太阳高能质子的强度, 还取决于CME驱动的行星际激波的速度和太阳风中可被加速的粒子数以及行星际的磁环境. 伴随2003年10月28日ICME在行星际形成的磁鞘捕获了大量的高能质子, 其中含能量超过100 MeV的高能质子.     

科学家观测土星激波结构

<正>美国"卡西尼号"探测器在土星附近观测到一次强烈的太阳风,在此过程中粒子被加速到极高的能级。科学家们认为,"卡西尼号"探测器为他们提供了一次在太阳系内部研究超新星激波加速机制的机会。科学家们对一种"准平行"激波尤其感兴趣,在这种情况下,磁场和激波的正向方向几乎平行。虽然激波结构在宇宙中司空见惯,但我们现在还没有能力飞往遥远的恒星际空     

太阳中子事件的观测特征与中子能谱的计算

太阳中子事件是与耀斑活动相关的偶发性即刻粒子事件, 主要表现为地面宇宙线探测装置的计数瞬时突增. 太阳中子携带着爆发源区的物理信息: 耀斑大气的元素组成、大气高度、磁场的会聚程度以及磁流体湍动等. 相对于其他带电粒子, 中子能够不受太阳磁场和行星际磁场的束缚而直达地面. 目前, 对太阳中子事件的理论研究, 主要是通过蒙特卡罗模拟, 考虑太阳耀斑环中磁场的螺旋角散射作用和磁镜效应, 计算耀斑磁环模型里各向异性中子的产生与太阳大气高度、时间、角度和能量间的关系, 计算逃逸中子的角分布和能谱, 以及逃逸到地球附近中子的能谱. 观测方面, 主要是结合地面中子监测器记录的超出时间与空间探测到的g射线核谱线发射峰值的时间差, 利用飞行时间方法(Time of Flight Method), 考虑中子监测器的探测效率和中子在地球大气中的衰减因素, 反演日面处的中子能谱. 本文依据已确定的10例太阳中子事件, 评述基本的观测特征, 介绍相应的观测仪器, 探讨太阳中子能谱计算的两种方法(观测法和模型法), 比较不同方法获得的计算结果; 并依托羊八井太阳宇宙线探测装置(中子监测器、太阳中子望远镜), 报道对太阳中子的初步交叉探测特征(1998年11月28日GLE事件和2005年1月20日GLE事件), 指出目前亟待解决的问题.     

太阳——地球物理学和它的未来

太阳—地球物理学是从研究太阳对大气层的电磁辐射和粒子辐射作用以及研究地球磁场而发展起来的。太阳—地球物理学最初研究电离层、磁暴、极光和太阳的闪光。目前,太阳—地球物理学包括许多发生在太阳大气中的现象,导致物质和能量经行星际空间向地球转移的复杂过程。众所周知,在电离层变化的各种类型与在行星际空间中太阳的起源过程是紧密相关的。类似的依赖关系表现在地球上的天气条件的变化。可惜,太阳—地球物理学不包括气象学。然而,人们还是研     

太阳爆发的结构和机制研讨会在南京成功召开

正太阳爆发活动是指太阳大气中磁场的剧烈变化引起的各类等离子体加热、加速和辐射增强现象,主要表现形式为日冕物质抛射和太阳耀斑,前者可抛射出巨量的磁化等离子体至行星际空间;后者可在短时间内释放出大量的高能粒子与辐射.它们是导致日地空间灾害性天气事件的重要源头.太阳爆发的研究涉及到多个重要的科学问题,包括磁     

突破难关上云霄

地球上有天气,太空中也有天气吗? 答案是当然有了!太空天气是指在太阳系内地球周围的太空环境发生的变化.太空天气包括太阳、太阳风、近地空间以及高层大气中的任何条件和事件.太阳会发生太阳风、太阳耀斑、太阳射电爆发、太阳辐射风暴、太阳高能粒子喷发、日冕物质抛射和太阳黑子爆发等,引起太空天气的变化.银河系中拥有3000 多亿颗...     

1989年5月3日太阳微波爆发中的准周期脉动

关于太阳射电辐射中快速涨落的机制问题目前尚无定论,对存在于其中的准周期脉动的研究也刚刚开始。Kosugi等人指出,在耀斑脉冲相中,电子和离子同时被一连串的准周期脉冲所加速。同时,能量释放过程也可能是某种周期性的。这种周期性脉动可能作为某种MHD或等离子体过程的结果。例如,两个电流环聚合的不稳定性,可能是电子和离子的快速准周期加速的机制。周期脉动也被解释为激波通过磁通管时触发的MHD驻波的周期性变     

宇宙线起源中物理学前沿问题

宇宙线是由奥地利物理学家赫斯在1912年高空气球实验中发现的.此后,人们在宇宙线的研究中发现了众多的基本粒子及其相互作用规律,中微子振荡的最早发现也来自太阳中微子和大气中微子实验.迄今为止,人们所知道的最高能量的粒子也来自于宇宙线的观测.宇宙线的起源、加速和传播是一个世纪科学问题,从中诞生了高能伽玛天文学、高能中微子天文学和极高能宇宙线天文学.目前,人们已经发现了为数众多的电子加速源,但作为宇宙线成分中最为主要的核子,其起源问题依然没有解决.精确测量宇宙线核子的成分和能谱,观测和研究高能伽玛射线、高能中微子及极高能宇宙线的产生地点和相关机制,有助于解决宇宙线的起源问题.此外,这些研究也是间接探测暗物质粒子,研究宇宙演化和新物理学规律的重要手段.     

耀斑引起的激波在大日心距离处的传播

目前行星际激波的研究大多集中在距太阳1AU的空间范围,对于大日心距离(2—3AU以远)激波的研究尚停留在实验研究阶段,尚缺乏理论上的研究。根据大量的空间观测事实,我们初步认为行星际空间可以划分为具有不同动力学过程的三个区域:(1)近太阳空间——压缩-减速区。激波以大约2000公里/秒的高速进入太阳近空,声马赫数M》1,由     

宇宙线双泄漏箱模型的进一步探讨

近年来,人们已获得了大量较为精确的宇宙线核和电子的观测数据,这为宇宙线传播模型的研究提供了较好的实验数据。按照目前流行的宇宙线起源加速机制(如激波加速、费米加速等)都假定核和电子有相同形状的能谱,一般采用的源谱形式是q(E)=AE~(-(γ_0)),其中A是常数,E是能量,γ_0是源谱指数,如果用单泄漏箱模型处理观测到的核和电子成分,可有核的     

编者按: 空间物理和空间天气学

开展对空间物理和空间天气学的研究, 有助于更好地了解并预报空间环境中发生的灾害性空 间天气事件, 为国家的航天和通信事业服务. 作为一个跨学科的研究领域, 对空间物理与空间天气 学的研究需要不同领域的科技工作者的共同关注, 促进其有序、快速地发展. 本专题就“空间物理与 空间天气学”领域中若干前沿的科学问题作了评述, 分别是无碰撞磁重联中的电子动力学、地球磁 尾等离子体片中的高速流、地球内磁层中的高能粒子, 以及电离层和太阳活动的关系. 主要内容介 绍如下. 磁重联提供了一种快速地将磁场能量转化为等离子体动能和热能的物理机制, 它与空间物 理和空间天气学中的许多爆发现象密切相关, 本专题的第一篇文章讨论了电子动力学行为在无碰 撞磁重联结构形成中的作用, 以及电子在其中的加速机制. 等离子体片中的高速流则是一种经常出 现在磁层剧烈扰动期间的现象. 第二篇文章简单回顾了高速流研究的历史, 介绍高速流的成因及与 极光的关联, 探讨了其与等离子体磁结构的异同及其与背景等离子体的相互作用, 以及高速流在磁 层亚暴过程中的作用. 辐射带中的能量电子与离子是首要的空间天气威胁, 理解这些粒子如何在辐 射带中被加速是空间物理和空间天气学领域的主要挑战之一. 第三篇文章总结了行星际激波在内 磁层激发的超低频(ULF)波对“杀手”电子与能量离子的快速加速的最新进展. 秉含着不同时间尺度 的太阳电磁辐射变化是调制电离层的主要因素, 电离层对太阳活动性的依存关系是认知电离层结 构与演变的基础. 第四篇文章简要地介绍了最近一些年在电离层的太阳活动性依赖特性方面取得 的进展. 有关内容供感兴趣的科技工作者参考.     

耀斑引起的行星际激波传播特征的三维益面

在日地关系的研究中,耀斑引起的行星际激波(以下简称耀斑-激波)在日地空间的传播是人们十分关注的课题之一。多年来由于空间飞船测量局限在黄道面附近,诸如激波的形状、传播的方向特征和减速等基本问题是了解得很不够的。然而这些问题对于研究太阳耀斑活动事件,对地球物理环境的变化却具有头等的重要性。本世纪七十年代中期由于行星际闪烁技术的发展,人们开始尝试利用这种IPS观测来研究黄道面以外空间耀斑-激波的传播特性。Pinter     

调相聚焦激光加速器的持续加速问题

本文指出了在调相聚焦激光加速器中,粒子是靠在加速相位区间内不断地滑相而获得持续加速的。它不属于行波加速。调相聚焦激光加速器的主要特点是利用远离加速结构器壁的聚焦激光电磁场来加速荷电粒子的,它的加速场强可以大大超过器壁材料的击穿场强,即加速能力很高。这种聚焦电磁场沿被加速粒子运动方向的     

资源一号卫星星内粒子探测器对高能粒子辐射的观测

利用资源卫星上搭载的星内粒子探测器累计5 年左右的资料, 总结了在太阳同步轨道780 km高度上高能粒子通量的一般分布特征, 作为首次对卫星内部高能辐射环境的连续监测, 资料分析对比确认了卫星内外高能粒子辐射经过换算后的一致性, 测量到的通量变化与太阳活动和质子事件有直接的关联. 外辐射带高能电子辐射强度与Dst指数的变化对应很好, 相关性分析表明二者之间一般有3 d左右的延时, 而大的磁暴造成的高能粒子的注入则通常发生得很快, 与Dst指数变化可在同一天发生. 另外, 在宁静时极盖区很少出现高能电子和质子, 上述几年数据的统计表明, 只当太阳质子事件发生时, 高能质子和电子才出现在极盖区.     

未知的太阳系——太阳系六大未解之谜

46亿年前，银河系中某个不起眼的地方正在孕育着什么？星系中弥漫的氢和氦以及固体尘埃开始凝聚并在形成分子，由于无法承载自身的质量．这一新形成的分子云便开始了坍缩，在不断加热和混合的过程中，一颗恒星诞生了——它就是我们的太阳。目前我们还不确切知道到底是什么触发了这一过程，也许这一切都源自于近邻恒星爆炸死亡时所产生的激波……然而据我们所知，太阳是唯一的。从诞生太阳的薄盘中形成了8颗行星，一开始这些行星之间没有什么显著的“差异”，最终在太阳旁的第3颗行星上出现了生命：而这些生命也开始探索他们所在的太阳系，但时至今日依然有6个太阳系的未解之谜有待解答。     

小粒子的电子性质

当粒子的直径足够小时,其传导电子的能谱不再连续,形成分立谱。在足够低的温度下,这个量子效应将严重地改变粒子的各种电子性质。《小粒子的电子性质》一文综述了小粒子的比热、磁化率、光学共振吸收和超导电性的一些异常性质。     

耀斑激波的各向异性传播

对飞船观测和行星际闪烁记录的分析表明,耀斑激波的最快传播方向偏离耀斑法线:在赤道面内朝东偏转,在子午面内偏向日球电流片.即便扣除背景太阳风的对流效应,上述非对称传播特征仍然存在.可是,迄今对日球赤道面内耀斑激波的数值模拟给出的最快激波传播方向几乎与耀斑法线平行,与观测结果相左.本文将证明,适当修改下边界的激波引入方式,可以获得最快传播方向东偏之结果. 既然耀斑源区随太阳自转,采用共转坐标系比较方便.在该坐标系中,日球赤道面内的理想 MHD二维平面流动满足如下方程: