两类横向扩散过程对太阳高能粒子传播的影响

The problem of solar energetic particles (SEPs) diffusion in turbulent magnetic fields is a fundamental question in space physics. In recent years, SEPs produced by flares were found to be simultaneously observed by multi-spacecraft located at different longitudes, latitudes, and radial distances, and the effects of perpendicular diffusion are responsible for this phenomenon. Theoretically, there are two kinds of perpendicular diffusion: 1. particles cross magnetic field lines; and 2. particles move along with the field lines which random walk in space, meaning that particles motion normal to the average magnetic field. Former SEP propagation models added the perpendicular diffusion terms in a focusing Fokker-Planck equation to describe the effects of perpendicular diffusion. However, these models cannot distinguish the different roles of two perpendicular diffusion processes when particles propagating in space. In this project, by numerical calculating of a three-dimension focused Fokker-Planck transport equation, we can obtain the time profiles of SEP fluxes under different magnetic field models (nominal Parker model and field line random walk model). Then, by comparing the simulation results with multi-spacecraft observations, we can determine the roles of two different perpendicular diffusion processes during SEPs propagating in the interplanetary space.

太阳高能粒子在湍动磁场中的扩散问题是空间物理领域的一个基础问题。近年来，人们发现耀斑产生的高能粒子能够被处在不同经度，纬度和径向距离的多卫星同时观测到，而横向扩散被认为是导致这种现象的原因。理论上，横向扩散分两种：一种是粒子本身横越磁力线的扩散；另一种是粒子沿着磁力线运动，但磁力线本身随机行走，导致粒子相对于平均场存在横向扩散。以前的高能粒子传播模型都是通过在聚焦Fokker-Planck方程中加入横向扩散项来描述粒子的横向扩散过程。然而，这些模型不能区分两种不同的横向扩散在粒子传播过程中各自起到的作用。在这个项目中，通过数值求解三维聚焦Fokker-Planck方程，我们能够得到在不同磁场模型（Parker磁场和随机行走磁场）情况下，太阳高能粒子通量随时间的变化图。然后，对比数值结果和多卫星的观测数据，我们能够确定当太阳高能粒子在行星际传播时，两种不同的横向扩散过程分别起到什么样的作用。

1.项目的背景.太阳高能粒子在垂直于磁力线方向上的扩散，即横向扩散过程，一直都是高能粒子领域未解的难题。高能粒子的横向扩散过程有两类不同的形式：磁力线随机行走导致的横向扩散和粒子离开磁力线的横向扩散。我们利用观测数据与数值模拟相结合的方式，研究了两类不同横向扩散过程对太阳高能粒子传播的影响。..2.主要研究内容.第一部分的工作是观测数据分析：利用多颗卫星的观测数据，对高能粒子（质子和电子）事件的横向扩散过程以及行星际磁镜效应进行分析。..第二部分的工作是数值建模与计算：把磁力线的随机行走效应和共转相互作用区模型嵌入到高能粒子传播模型中，研究两类横向扩散对高能粒子传播的影响，以及高能粒子的三维加速和传播过程。..第三部分的工作是建立高能粒子通量预报模型：基于脉冲型高能粒子事件扩散方程的特解，建立了一个高能质子事件通量密度实时预报模型，命名为 HITSEP模型。..3.重要结果、关键数据及其科学意义.在观测数据分析方面：我们发现横向扩散是解释三维传播过程的普遍机制，而横向扩散过程较慢，所以在大的缓变型高能事件中有利于蓄水池现象的形成。磁镜效应有利于蓄水池现象的出现，但是磁镜效应并不是普遍适用机制。这方面的工作已经整理出4篇论文，其中2篇已发表（本人均为第一作者），都发表在本行业顶级权威期刊The Astrophysical Journal 上,实实在在地推动了人们对高能粒子三维传播过程的认识。..在数值模拟方面：我们发现行星际的横向扩散过程中，磁力线随机行走带来的扩散效应可能比粒子横越磁力线的扩散更加重要。利用含有共转相互作用区的三维运动学模型，我们发现在一般情况下，磁镜效应并不显著影响粒子通量分布。这方面的工作已经整理出1篇论文，待发表。..在预报方面：我们建立了一个模型来预报高能质子事件上升阶段的通量强度，该模型对峰值通量预报精度高于国际上的著名主流模型（UMASEP模型），可为我国航天活动提供预报。这方面的工作已经整理出1篇论文，待发表。