关于福布斯下降物理机制的数值模拟研究

Forbush decrease is a widely recorded phenomenon by the ground based cosmic ray stations. Although it is usually interpreted as the effect of the turbulence region preceded by the coronal mass ejection's driven shock, some argued that the strong ordered magnetic field in the ejecta also cause it. While numerical simulation has been adapted in the theoretical study of Forbush decrease for decades, the full 3-D model is still not well established. The main task we are planning to undertake is summarized as following: 1) Solve the cosmic ray transport equation by Markov Stochastic Method, construct a global three dimensional Forbush decrease numerical model by modifying the diffusion coefficient and investigate how the event is related to the geometric parameters in three dimensional environment；2) Treat the coronal mass ejection as the driven source for Forbush decrease, simulate its propagation process using MHD numerical method, and construct a realistic Forbush decrease model by including both turbulence region and ejection itself. Investigate the key region causing Forbush decrease by recording the pseudo-particles' trajectory in the phase space. Study the relationship between the physical background (interplanetary magnetic field's polarity; the energy of cosmic ray particle; the distance to the Sun et al.) and the characteristics of the Forbush decrease event (recovery time, maximum decrease et al.).

福布斯下降是地面观测到的关于银河宇宙射线的重要现象，一般认为是由日冕抛射物前驱动激波形成的湍流区导致,但也有观点认为是由日冕抛射物中的强磁场和高速等离子体流导致;数值模拟在福布斯下降的理论研究工作中已被广泛应用，但以前的工作均局限在二维模型。此项目提出1）用马尔科夫随机微分方法求解宇宙射线传播方程，将湍流功率谱与宇宙射线扩散系数联系起来，通过修正扩散系数的方法，构建一个全三维的福布斯下降数值模型，详细考察福布斯下降与驱动源三维几何形状和观测点位置之间的关系；2）将福布斯下降驱动源处理成日冕抛射物，并用磁流体数值程序对其进行模拟，以构建同时包含有日冕抛射物本体和湍流区的福布斯下降模型，通过跟踪粒子轨迹和能量变化过程的方法，研究导致福布斯下降的关键机制。

福布斯下降是一种宇宙射线强度短时变化现象。通过近几十年的研究，普遍认为地球上观测到的福布斯下降是由于日冕抛射物前端的强湍流区导致。而根据宇宙射线的传播理论，强湍流磁场区会导致宇宙射线扩散系数减小。因此，该项目的研究构建了一个由强湍流区导致的三维弱扩散扰动模型，并将其引入到宇宙射线的传播模型中对福布斯下降进行了数值模拟研究。该数值模型很好地再现了福布斯下降的基本特征：宇宙射线强度在一天内迅速下降，随后几天逐渐恢复。数值模拟发现在太阳磁场极性为负的时候，福布斯下降呈现更大的强度；当电流片倾角增大的时候，这种由于太阳磁场极性的影响会减弱。利用数值模型的三维特性，项目中系统地研究了扰动源的三维构型对于福布斯下降的影响，发现扰动源在径向上的扩展明显强于其经度和纬度方向上的扩展。此三维数值模型还包含了一个转动的电流片，数值模拟显示电流片的转动会导致观测点与电流片距离的周期性变化，进而引起宇宙射线强度出现１３天的周期。所以，当引入转动电流片模型后福布斯下降模拟曲线的恢复段明显出现了周期性振荡。项目还研究了福布斯下降的幅度随日心距离的变化关系，模拟结果显示当日心距离小于３AU时， 幅度随日心距离减小，而当日心距离继续增大时，福布斯下降的幅度也会出现一个震荡的周期性变化，并且每个震荡周期的谷底位置都对应于电流片与日球层赤道面（观测点所在平面）的交汇处，而谷峰位置则是电流片距观测点的最远处。模拟进一步证实了电流片漂移对于宇宙射线在日球层中传播的重要作用。