耀斑粒子加速的数值研究

Solar flares are very important explosions in solar atmosphere, and they are now widely believed to be caused by the sudden liberation of free energy stored in the coronal magnetic field. The results from theory, simulations, observations and experiments strongly suggest that magnetic reconnection is the principal process for the energy conversion in solar flares. To investigate the ion accelerations in flares, we will develop a global hybrid simulation to study the evolutions of electric and magnetic fields, and the trajectories and accelerations of ions in magnetic reconnection. By using the hybrid simulations, particle simulations and test particle methods, we will analyse the effects of various mechanisms (reconnection electric field acceleration, turbulent stochastic acceleration, termination shock acceleration etc.)to the accelerations of ions and electrons. We will a combination of hybrid simulations and test electron simulations to study the accelerations of electrons in flares. Combining the results from global simulations and local simulation, we wish to understand the whole figure of particle acceleration in solar flares.

耀斑是太阳大气中十分重要的爆发现象，现在一般认为它是由于储存在日冕磁场中的自由能突然释放所引起的。理论、模拟、观测和实验结果表明，磁场重联是耀斑期间能量转换的主要过程。为了研究耀斑离子的加速，本项目将发展一套全球混合模拟程序，讨论磁场重 联期间电磁场的演化以及离子的运动轨道和加速。应用混合模拟，粒子模拟和试验粒子方法，分析各种机制（重联电场加速、湍动随机加速、终端激波加速等）对离子和电子加速的作用。结合混合模拟和试验电子模拟方法研究耀斑电子加速。联合全球和区域的模拟结果，希望能了解耀斑爆发过程中粒子加速的整体图象。

磁场重联是耀斑粒子加速的重要机制。应用数值模拟（粒子模拟和混合模拟）方法，研究了磁场重联过程中带电粒子加速和加热，以及低频波与带电粒子的相互作用。粒子模拟结果表明，平行电场和Fermi机制对电子加速起主要作用；高能电子呈现为幂律谱分布。随着电子能量的增加，平行电场和Fermi机制的加速效率更高。磁场重联中电子加速是一种多步的过程。粒子模拟结果还表明，低频波动将通过波波相互作用改变波动的性质，进而通过波粒相互作用将能量传输给带电粒子，导致粒子加速和加热。混合模拟结果表明，激波锋面处的波纹是准平行激波的内在结构。通过追踪激波上游离子的轨迹，发现上游离子比较容易通过波纹的上部分传输，且相应的下游整体速度也比较大，可形成高速喷流。混合模拟结果还表明，具有非相干谱的平行传播Alfvén波的参量不稳定性能导致He2+加热。存在平行波数的磁声波可以在垂直和平行方向上有效地加热冷电子，而冷质子仅在垂直方向上被加热。试图将三维全球混合模拟程序推广应用到太阳大气，由于太阳大气与地球磁层之间非常大的差别，这方面的工作遇到困难。在试图了解耀斑带电粒子加速过程的整体图像方面，未能取得进展。