异常第24太阳活动周宇宙线重离子调制研究

As an important component of cosmic rays, the knowledge on propagation and modulation of heavy-ion (z>2) is crucial for improving the cosmic ray modulation theory. The complex dynamic modulation environment, ambiguous local interstellar spectrum (LIS) and uncertain diffusion coefficients are the major obstacles to the numerical simulation of heavy-ions. Currently, the solar activity is under the transition from the extreme solar minimum to the weak solar maximum of cycle 24. The intensities of cosmic ray heavy-ions at the near-earth environment are significant higher than that of previous cycle, providing us an exceptional opportunity to investigate the modulation mechanisms of heavy-ions. In this project, based on the Parker transport equation, we intend to establish a refined cosmic ray heavy-ion modulation model, by incorporating the solar wind and the interplanetary magnetic field from 3D MHD modeling, constraining possible limits of the LIS with the latest heavy-ion measurements, and building a diffusion coefficient model suitable for heavy-ions within the framework of NLGC-E diffusion theory. With this model, we will numerical simulate the flux variations of various heavy elements during the current unusual solar cycle. This project aims to reveal the major modulation mechanism responsible for the abnormally high intensity of heavy nuclei in different periods of solar cycle 24, providing further insight into the propagation and modulation processes of cosmic ray heavy-ions.

作为宇宙线的重要组成部分，重离子的传播与调制研究对于完善宇宙线调制理论具有重要意义。动态变化的复杂调制环境、悬而未决的宇宙线重离子星际谱、以及不确定的扩散系数模型是制约重离子调制研究的主要瓶颈。太阳活动目前已经从异常极小期逐渐过渡到了相对较弱的第24太阳活动周峰年，近地空间宇宙线重离子通量观测显著高于以往太阳活动周，这为研究重离子的调制机制提供了宝贵契机。本项目以Parker传播方程为理论基础，引入基于三维MHD模拟的太阳风和行星际磁场模型，利用最新观测数据约束重离子星际谱，在扩展非线性引导中心理论（NLGC-E）的框架下构建合适的重离子扩散系数模型，建立精细的宇宙线重离子调制模型，数值模拟当前异常太阳活动周重离子的通量变化。本项目旨在揭示第24太阳活动周不同时期重离子通量异常高的主要调制机制，进一步加深对宇宙线重离子传播与调制过程的认识。

重离子成分是宇宙线高能粒子的重要组成部分。虽然相对丰度较低，但是它们在介质中传播时具有很高的电离能量损失， 因此对近地空间高能粒子辐射剂量贡献很大。在太阳活动平静期，宇宙线重离子辐射约占近地空间总辐射剂量的一半，这些辐射主要来自于丰度相对较高的成分，如C、 N、 O、 Ne-S、 Fe。因此准确模拟宇宙线重离子成分能谱和丰度的变化，对于保护长期执行深空探测任务（如月球、火星）的宇航员以及确保地外空间中各种卫星和飞船搭载的有效载荷的正常运行，具有重要意义。本项目统计分析了ACE卫星自1997年发射以来，原子序数5≤Z≤28，能量范围从10 MeV/nuc至500 MeV/nuc的宇宙线重离子在1 AU附近的通量观测数据。与不同寻常的太阳活动极小期相似，重核子元素在最近的太阳活动极大期的强度相比上一个太阳活动高年2002年升高了约40%左右，这是由于减弱的太阳调制造成的。此外，在60 - 200 MeV/nuc能量范围内的重核子相对于元素氧的丰度比通常与动能无关，这与之前的实验结果一致。除碳核外，大多数相对丰富的宇宙线核子的丰度比具有明显的太阳活动周期变化，并与太阳黑子数之间存在明显的正相关关系且有约一年的时间滞后。我们还发现多数重离子元素丰度比的百分比变化近似相同。这些初步结果为研究宇宙线重离子组成的特征提供了有价值的见解，对构建宇宙线重离子的传播和调制模型具有重要约束作用。