各向异性激波加速理论研究及其在终止激波加速中的应用

近年来Voyager 1&2 飞船穿越终止激波，在终止激波附近以及日球层鞘区探测到大量出乎意料的新的高能粒子现象，包括多幂律谱能谱分布，终止激波上游粒子各向异性分布及终止激波附近强度尖峰结构等等。传统的激波加速理论已经无法正确解释这些观测现象。各向异性激波加速理论是激波加速研究中的一个新的研究方向，目前对其研究还处于初步阶段。本项目计划基于随机微分方法的Monte-Caro模拟开发各向异性激波加速模式，对各向异性激波加速的粒子能谱、各向异性分布、空间分布及其它基本特征进行研究，重点研究激波冲浪加速机制，力争对激波加速理论有新的突破；并且应用该模式研究终止激波对新生离子的加速，全面解释Voyager飞船在终止激波附近观测的高能粒子现象。同时，各向异性激波加速模式的开发预期为下一步开发SEP的物理预报模式奠定基础。

Voyager 1&2 飞船分别于2004年和2007年穿越终止激波，这一事件是人类探索星际空间的一个新的里程碑。在终止激波附近以及日球层鞘区，Voyager飞船探测到大量出乎意料的、传统的激波加速理论无法正确解释新的高能粒子现象。为了解释这些观测现象，我们发展了基于随机微分方法的各向异性激波加速模式，并应用到新生离子在终止激波附近的加速过程研究中。模拟结果成功定性解释了在终止激波上游观测到的终止激波粒子的多幂律谱、空间尖峰分布及各向异性投掷角分布等异常特征。本项目了证明了各向异性激波加速理论是传统扩散激波加速理论在低能量种子粒子注入情况的扩展。另外我们在各向异性激波加速框架下讨论了低能粒子注入效率问题，发现横越激波电势、激波强度以及粒子注入能量是决定粒子注入效率的主要因素。最后我们讨论了横越激波电势对激波加速低能粒子的加速能谱、注入效率以及空间分布等影响。本项目的成功实施不仅仅对粒子加速理论具有创新意义，同时为未来SEP的预报模式开发打下基础，具有重要的应用价值。在以后的工作中，我们将继续该项目的研究，开发融合波粒子相互作用的各向异性激波加速模型；并基于该模型讨论太阳风热离子的粒子注入效率问题，进而尝试解决“粒子注入问题”。