行星际扰动和太阳风结构相互作用中产生能量带电粒子的数值模拟研究

太阳粒子事件防护对人类航天活动和空间技术系统具有重要意义。通过对诸如Ulysses、 ACE、Wind等卫星观测结果的细致分析后,发现许多能量带电粒子事件不仅和日冕活动有关，还与各种太阳风结构密切相关，如太阳风中的共转作用区、等离子体压缩区、日球电流片、磁云等等。这类能量带电粒子和直接产生于太阳源区的高能粒子有很大不同，其特点是能量比较低，动力学过程复杂，其产生和传播是个悬而未解的难题。结合前期所做的有关磁重联Hall效应的数值模拟结果、有关能量带电粒子的初步理论模型和相关的卫星观测结果，我们将采用计算机数值模拟技术对行星际扰动和各种太阳风结构相互作用而产生能量带电粒子的现象进行研究，探讨其物理机理，为卫星观测和空间天气预报提供理论依据。

本课题研究了行星际扰动和日球电流片相互作用中产生的高能粒子。采用Hall MHD方程，结合磁重联对Hall效应的研究结果，采用计算机数值模拟技术研究了产生于电流片附近的高能粒子事件，探索其中的动力学机理；并在上述研究的结果的基础上，采用计算机数值模拟技术，研究了磁重联区电流片所形成的X线附近的等离子体波对磁重联过程的影响。具体内容总结如下： . 1、卫星在1AU处，甚至几个AU处观测到了许多高能粒子事件，这些高能粒子事件中许多事件不是和太阳活动源直接相关，而是和各种等离子体结构密切相关.本课题通过数值模拟方法对产生于电流片附近的高能粒子事件进行数值模拟研究. 研究结果表明，对于产生于电流片附近的高能粒子事件，Hall 效应起着重要作用；. 2、高能电子是磁重联中产生的重要现象，卫星Wind和Cluster在磁重联的多个区域都观测到了高能电子。本课题针对X型磁重联，结合粒子动力学方程的部分解析表达式和Hall MHD计算机数值模拟结果，研究了X线附近区域的电子和离子运动的分离特性，得到了该区域垂直重联平面的磁场分量和速度分量随时间的演化特征。研究结果表明，磁重联过程中起支配作用的电子的运动是高度结构化的，受多种因素作用，其运动速度呈线非线性变化的特点，在垂直重联平面z方向的磁场分量和速度分量都存在拐点，拐点前后磁重联联的电场分量的波动特性有明显差异；. 3、在上述第二个问题研究的基础上，本课题还研究了磁重联区X线上的等离子体波对磁重联过程的重要影响。对Hall MHD模型进行修正，采用自己编写的磁流体数值模拟代码，在磁重联点处得到了脉动电阻率以及脉动磁重联率，所得到的脉动磁重联率的峰值远远大于现有的各种磁重联经典模型和现有各种磁重联数值模拟所得到的值，与美国普林斯顿大学MRX磁重联实验的测量值相符。为了验证本课题自己编写的数值模拟程序是否正确，我们把同样的计算代码运用到现有个各种磁重联计算模型，如MHD模型，带电阻的Hall MHD模型和电阻率几乎为零的Hall MHD模型进行验证，计算结果和国际上公认的值相符，因此我们认为计算代码本身是没问题的。