银河宇宙射线在日球层调制的数值模拟研究及其应用

To meet the demands of the development for space weather, we are planning to build a new generation Galactic Cosmic Ray modulation model. This galactic cosmic ray modulation model will incorporate the Magnetohydrodynamics global heliospheric data into the Parker type galactic cosmic ray transport model. In addition, this galactic cosmic ray modulation model will simultaneous takes account of the current sheet drift in the heliosheath and the modulation effect caused by the outer heliosheath. The recent Voyager 1 cosmic ray observation near the heliopause and the PAMELA observed cosmic ray proton spectrum in 2009 will be used to tune up this galactic cosmic ray modulation model. This tuning process will enable us to get some physical insights for galactic cosmic ray transport near the heliopause. Based on this state-of-the-art galactic cosmic ray modulation model, we are planning to study the radiation environment where the human space program takes place. Specifically, .we will focus on the satellite orbit from the earth to the moon and the orbit from the earth to Mars. To advance our understanding of the galactic cosmic ray radiation effect, an qualitative study on the relationship between the galactic cosmic ray flux and the human radiation dose will also be performed.

为了满足空间天气领域发展的需求，我们拟开发新一代的银河宇宙射线受日球层调制的数值模型。新的数值模型包含了日鞘区的电流片漂移效应，以及外日球层对于银河宇宙射线的调制作用。利用旅行者一号飞船在日球层顶附近的宇宙射线观测数据以及近地卫星PAMELA在2009年观测到的质子能谱，我们可以对数值模型进行校正，得到更加真实的模型参数；并且通过模拟旅行者一号在日球层顶附近的观测结果，可以更加深入地了解银河宇宙射线在日球层顶附近的物理传播机制。利用开发的银河宇宙射线调制模型，我们计划模拟与人类航天活动相关空间区域的银河宇宙射线强度，定量研究银河宇宙射线强度与人体承受辐射量的关系，进而提升银河宇宙射线对人类航天活动影响的认识。

为了提升对于行星际银河宇宙线导致的空间粒子辐射环境认识，了解银河宇宙线在日球层的传播和分布规律，在本项目中我们利用数值方法研究了银河宇宙线在日球层的太阳调制过程。1.我们采用了一个含有真实内边界条件的磁流体模型对太阳风背景场进行了模拟，模拟出了含有共转相互作用区的太阳风背景场。将此太阳风背景场模型与宇宙线传播数值模型耦合，我们系统研究了共转相互作用区对于银河宇宙线传播的影响，证实共转相互作用区是宇宙线27天周期性重现事件的起源，揭示了共转相互作用区对于银河宇宙线传播影响的刚度依赖性；同时还利用磁流体宇宙线传播混合模型研究了宇宙线在日球层顶附近的传播机制。2. 基于宇宙线传播基本理论，我们还构建了含有宇宙线传播全部物理过程的数值模型，发现在模型中通过引入随太阳活动变化的电流片，行星际磁场和扩散系数，就可模拟再现宇宙线的太阳调制过程。进一步的研究中，我们将扩散和漂移过程用含参数的函数表示，把自由参数引入到数值模型中；利用马尔科夫链蒙特卡罗的数值方法，对PAMELA卫星和AMS-02实验的宇宙线质子和氦核能谱数据进行了拟合，并校正了数值模型中的自由参数。研究证实不同核素的宇宙线太阳调制模型参数具有一致性，这为未来发展宇宙线辐射剂量的预报奠定了理论基础。3. 我们基于拟合的自由参数模拟了宇宙线中原子核电荷数小于28的核素能谱，采用GEANT4软件计算得到了行星际中宇宙线导致的人体辐射剂量随太阳活动的变化。