日冕激波演化及其粒子加速过程的观测研究

There are compelling statistical evidences that the release of solar energetic particles (SEPs) near the Sun mainly occurs below ~15 solar radii. Therefore, shock acceleration and release of the SEPs in this height range is one of the key problems in studying the relationship between the coronal mass ejection (CME) and the SEP event. In this proposal, we try to combine the solar observations provided by the civil astronomical observatories, with the observations detected by the spacecraft abroad, to investigate several challenging problems about the coronal shock and SEPs: 1. Analyze the spatial and temporal evolution of the kinematics, geometry, and physical parameters of the CME driven shocks from the solar surface to ~15 solar radii in three-dimensional space. 2. Investigate the process from the shock formation to the start of the SEP release in the low corona to determine the physical property and geometry of the shock, the local magnetic field configuration at the time when the SEP release begins. 3. Study the characteristics of the coronal shocks which are driven by failed eruptions with no CMEs, and explore whether this type of shock can accelerate corona materials or flare materials to generate SEPs efficiently and its effect on SEP events are also surveyed. We expect that the outcome of this proposal will make a significant contribution to our knowledge on the properties of coronal shocks and their role in the acceleration of SEPs in the low corona, and serve for the need of space weather modeling and forecast.

观测研究表明缓变型太阳高能粒子（SEP）事件中粒子起始释放过程主要发生在日面以上十几个太阳半径高度以内。因此，在这个高度范围内研究激波加速产生SEP并向行星际释放过程是深入理解日冕物质抛射（CME）与SEP事件之间关联的关键之一。本项目拟利用国内天文台太阳观测数据联合国外卫星观测数据研究以下问题：1、CME激波从形成到十几个太阳半径的连续动力学演化以及三维结构演化，分析激波物理参数和激波几何的时空演化特征；2、对从CME激波形成到SEP起始释放这一关键过程进行研究，确定缓变型SEP事件中高能粒子在太阳附近开始释放时所满足的激波条件和日冕磁场结构；3、分析失败爆发过程（无CME伴随）产生的日冕激波的动力学特征，评估这类激波加速粒子的有效性及对SEP事件的影响。该项目有望取得创新性研究成果，推动对日冕激波演化及其粒子加速的科学研究，服务于空间天气建模预报需求。

日冕激波演化及其粒子加速过程的研究对于深入探讨日冕物质抛射(CME)与太阳高能粒子(SEP)事件之间的因果关联、理解SEP局地观测特征变化规律及其物理本质等问题具有非常重要的意义。本项目主要从CME激波演化规律、激波位形、CME相互作用、II型射电暴及其增强、特征时间、种子粒子等方面对日冕激波演化及与SEP事件的关联、经向分布等方面展开了研究。重要结论如下：1)基于日冕密度模型，反演射电频谱得到激波高度、速度等参数，研究了日冕激波脱体距离变化规律，表明激波脱体距离随高度增加而增加，但脱体距离随CME速度变化规律在低高度和高高度上截然相反；2)通过II型射电暴及其属性分析，给出了日冕激波产生SEP事件的传播高度要求，阐明了SEP事件产生概率随II型射电暴（激波）持续时间、结束频率、激波维持高度的变化规律；3)联合多卫星观测分析了SEP事件特征时间、峰值强度等参数的经向分布规律，初步揭示了不同激波位形加速粒子的时间尺度差异，探讨了观测参数及彼此相关性受相对经度影响的可能机理，并结合Fe/O分析给出了不同激波位形和种子粒子对SEP经向分布的影响，从而进一步明晰了日冕激波加速及SEP释放、传输的物理图像；4)通过射电分析和特征时间分析，给出了II型射电暴射电增强及其对应CME属性与SEP事件的统计关系，明确了II型射电增强只是增强了加速过程而非产生SEP事件的直接原因，进一步厘清了CME激波、种子粒子、先行CME等因素在SEP形成过程中的作用；5)基于多卫星联合观测分析，给出了STEREO、SOHO卫星观测的SEP微分通量修正系数为1.14，以及大SEP事件的微分通量判断阈值为0.01；统计给出了单卫星观测由于投影效应而造成的twin-CME误判率不超过15%；6)通过分析失败爆发伴随的II型射电暴和高能粒子情况，初步揭示了失败爆发未能观测到SEP的可能原因。本项目研究结果对于理解CME日冕激波加速SEP的物理过程、SEP事件观测特征的影响因素及规律有着重要的科学意义，同时研究结果可为缓变型SEP事件的空间天气建模预报提供理论参考，具有潜在的应用价值。