隨著航天、通訊等領(lǐng)域的發(fā)展，高能粒子對人類的影響越來越廣泛深入，于是有了越來越多理解與準(zhǔn)確預(yù)測它們的需求。在太陽系中，太陽是最有效的天然粒子加速器。太陽高能粒子（SEP）從太陽產(chǎn)生之后在行星際傳播。傳播過程不僅受到湍流等微觀上的影響，也會受到行星際大尺度結(jié)構(gòu)的宏觀影響。影響SEP分布的因素眾多，但觀測到的情況有限。有不少讓人費解的觀測現(xiàn)象，比如，SEP峰值強度在經(jīng)向為何呈手指狀分布？不同的觀測中SEP峰值強度的徑向變化為何差異這么大？也有一些問題讓人好奇，比如，在背景場結(jié)構(gòu)的眾多參數(shù)（太陽風(fēng)速、太陽磁軸與自轉(zhuǎn)軸夾角、快速流的寬度等）中，哪些對SEP的影響較大？都會有哪些影響？

針對這些問題，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心（以下簡稱“空間中心”）太陽活動與空間天氣重點實驗室沈芳研究團(tuán)隊試圖用數(shù)值模擬的方式找到答案。這項研究使用磁流體力學(xué)（MHD）模型模擬出的三維太陽風(fēng)背景結(jié)構(gòu)。所構(gòu)造的三維太陽風(fēng)背景包含一個典型的行星際大尺度結(jié)構(gòu)（圖1）：共轉(zhuǎn)相互作用區(qū)（CIR）。不同快慢太陽風(fēng)速、太陽磁軸與自轉(zhuǎn)軸夾角、快速流寬度的背景場都被構(gòu)造出來。然后在靠近太陽的位置入射SEP虛擬粒子，研究 SEP 在行星際的傳播與分布如何受到這種結(jié)構(gòu)的影響。該研究用聚焦傳輸方程（FTE）來描述粒子傳播的過程，用前向隨機微分方法來求解FTE。

圖1 該研究所使用的背景場示意圖。帶箭頭的實線表示足點緯度為零、經(jīng)度為180度至360度的磁力線。顏色圖表示徑向太陽風(fēng)速。

研究的結(jié)果表明，CIR背景結(jié)構(gòu)對SEP的經(jīng)向與徑向分布均有影響。大尺度背景結(jié)構(gòu)可能是SEP強度峰值呈手指狀分布的原因之一，也可以用來解釋觀測到的SEP強度徑向分布的差異。另外，SEP的能譜也會受到CIR結(jié)構(gòu)的調(diào)制。CIR結(jié)構(gòu)的影響下，不同徑向位置的能譜指數(shù)也出現(xiàn)了很接近情況（圖2）。

圖2 黑色圓圈表示在0.3-1.0 AU 的徑向距離范圍內(nèi)，SEP峰值強度隨日心距分布用經(jīng)驗公式所擬合的冪律指數(shù)α值隨經(jīng)度的變化。經(jīng)驗函數(shù)不適用的數(shù)據(jù)被剔除。藍(lán)色虛線表示1AU處徑向太陽風(fēng)速隨經(jīng)度的變化。

進(jìn)一步的參數(shù)研究表明，CIR的特征參數(shù)之間互相關(guān)聯(lián)，不同特征參數(shù)在不同方面影響SEP的加速和強度的時空分布。SEP的加速效應(yīng)在反向壓縮區(qū)主要受太陽風(fēng)速差異的影響，而在正向壓縮區(qū)主要受慢（平均）太陽風(fēng)速的影響。太陽風(fēng)的速度極大地影響了SEP強度的經(jīng)向分布、事件早期強度的徑向分布以及事件后期強度隨時間的變化。太陽磁軸與自轉(zhuǎn)軸夾角主要影響SEP強度經(jīng)向延伸的寬度。一旦超過60度，夾角的變化對SEP的調(diào)制作用差異就很小了?？焖倭鞯膶挾戎饕绊慡EP的經(jīng)向分布，包括變化幅度和寬度。

綜上，在研究或預(yù)測 SEP 事件時，考慮行星際空間大尺度結(jié)構(gòu)的條件十分重要。SEP在行星際的傳播在不同程度、不同方面受到背景結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。該研究擴(kuò)展了之前關(guān)于CIR結(jié)構(gòu)對SEP的影響的數(shù)值模擬工作，并為預(yù)測SEP事件提供了一些經(jīng)驗，為以后進(jìn)一步研究更復(fù)雜的行星際結(jié)構(gòu)與更多SEP過程打下基礎(chǔ)。

以上研究成果發(fā)表在2024年EPP及Universe上，第一作者為空間中心朱雨及博士，通訊作者為沈芳研究員，合作者還包括山東高等技術(shù)研究院羅熙研究員、哈工大（深圳）汪洋博士以及空間中心唐勃峰博士等人。該項研究受到國家自然科學(xué)基金重點項目、科技部國家重點研發(fā)計劃以及中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項等項目的聯(lián)合資助。

論文信息：

1.Zhu, Y. J., Shen, F., Luo, X., Wang, Y., and Tang, B. F. (2024). Solar energetic particles intensity variations associated with a tilted-dipole 3D corotating interaction region. Earth Planet. Phys., 8(5), 797–810. http://doi.org/10.26464/epp2024049

2.Zhu, Y.; Shen, F. Solar Energetic Particles Propagation under 3D Corotating Interaction Regions with Different Characteristic Parameters. Universe 2024, 10, 315. https://doi.org/10.3390/universe10080315

（供稿：天氣室）