用多卫星联合观测数据研究缓变型太阳高能粒子事件中粒子的横向扩散系数

Because of the turbulence in the solar wind，there are always exist small scale irregularities in the interplanetary magnetic field besides large scale field. During the solar energetic particles（SEP） transport along their tracks determined by the large scale magnetic field, the small scale irregularities always scatter them. The pitch angles of energetic particles undergo change and the particles jump randomly between different magnetic field lines, this effect causes the energetic particles to diffuse. Due to little experience about turbulence at present, we have no consensus about the value of the perpendicular diffusion coefficient. In our previous studies, based on a numerical solution of the three dimension Fokker-Planck focused transport equation, we obtained the time profiles of fluxes in gradual SEP events with different levels of perpendicular diffusion. In this project, we will choose some typical gradual SEP events and relevant parameters from the multi-spacecraft observation data. By comparing the numerical simulation results with the simultaneous multiple spacecraft observations, it enabled us to determine the perpendicular diffusion coefficients and the role of perpendicular diffusion during energetic particles transport in the interplanetary space.

由于行星际磁场经常处于湍动状态,在大尺度的背景行星际磁场上总是存在小尺度的不规则结构。高能粒子沿着大尺度背景磁场的传播过程中，会不断受到小尺度不规则磁场结构的散射。高能粒子的投掷角会不断发生变化，并且会在磁力线之间不断随机跳跃,从而导致扩散运动。目前由于人们对湍流的物理过程认识有限，导致对高能粒子横向扩散系数的量值没有形成共识。在我们前期的研究中，通过数值方法求解三维聚焦福柯-普朗克传播方程，给出在不同大小的横向扩散系数情况下，缓变型高能粒子事件中粒子微分通量随时间的变化图。本课题将从多卫星的联合观测数据中，选取典型的缓变型高能粒子事件，以及数值计算所需要的输入参数。再将数值计算结果与观测数据相对比，来确定缓变型高能粒子事件中横向扩散系数的大小，以及横向扩散在粒子传播过程中所起到的作用。

由于行星际磁场经常处于湍动状态,在大尺度的背景行星际磁场上总是存在小尺度的不规则结构。高能粒子沿着大尺度背景磁场的传播过程中,会不断受到小尺度不规则磁场结构的散射。高能粒子的投掷角会不断发生变化,并且会在磁力线之间不断随机跳跃,从而导致扩散运动。目前由于人们对湍流的物理过程认识有限,导致对高能粒子横向扩散系数的量值没有形成共识。本课题从多卫星的联合观测数据中,选取典型的缓变型高能粒子事件,以及数值计算所需要的输入参数。将数值计算结果与观测数据相对比,来确定缓变型高能粒子事件中横向扩散系数的大小,以及横向扩散在粒子传播过程中所起到的作用。我们有如下新的发现：.(1)尽管在高能粒子通量的上升期,处在不同位置的卫星观测到的粒子通量有时相差几个量级，但是到了衰退期,不同卫星看到的粒子通量只有2-3倍的差距，这个现象被称为蓄水池现象。为了在数值模拟中重现蓄水池现象，除了行星际的调制过程以外，大部分太阳高能粒子必须在离太阳足够近的地方释放出来。横向扩散在蓄水池现象中的起到的作用取决于两方面：大部分太阳高能粒子在太阳附件释放出来，横向扩散有更多的时间发挥作用；横向扩散系数越大，太阳高能粒子的蓄水池现象就越容易发生。.(2)我们在数值模拟中重现了太阳高能粒子能谱随时空的不变性。激波加速强度，平行扩散，以及绝热冷却是形成能谱空间不变性的主要原因，而横向扩散是次要原因。太阳高能粒子能谱的时间不变性主要归因于绝热冷却。进一步，基于数值模拟结果，我们提出了一个谱不变发生的区域。通过与观测结果相对比，我们发现数值结果和观测结果一致，但是与Reames 等人提出的区域不同。.(3)当我们研究太阳高能粒子在行星际空间中传播过程时，必须同时考虑投掷角的扩散和绝热聚焦效应。我们提出了一个包含绝热聚焦效应在内，计算扩散系数的解析理论。这个新的解析公式能够被应用到行星际和星际空间条件下，计算太阳高能粒子的空间扩散系数。