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太阳高能粒子(Solar Energetic Particles,SEPs)是太阳爆发过程中能量剧烈释放的一种表现。受不同加速机制的作用,带电离子或电子通常在从太阳低层大气到行星际的广泛空间尺度上被加速到10 keV/nucl到GeV/nucl的能量,沿着扇形磁场向地球行进。这些高能粒子严重干扰了人类的活动,所以对粒子加速机制的研究,特别是对激波加速的研究,对我们预警空间灾害性大气,并尽可能减少由此带来的损失,有着极其重要的实际意义。
第一章首先介绍了与太阳高能粒子(SEPs)关联的激波和II型射电爆的观测。观测事件的研究表明快日冕物质抛射(Coronal Mass Ejections,CMEs)能在赤道附近和极区有效驱动激波,高能粒子和CMEs速度有很好的关联,最后介绍了观测事件的CMEs高度和粒子通量峰值的对应,说明CMEs驱动日冕激波和行星际激波与粒子能量的关联性。
第二章介绍了对离子进行有效加速的扩散激波加速机制的理论进展,以及目前研究扩散激波加速太阳高能粒子的几种模型:准稳态理论模型,动力学输运模型和束流不稳定性模型。模型在散射中心自洽的前提下,数值模拟可以很好的解释观测事件粒子的能谱。
第三章通过计算束流质子激发阿尔芬波的色散关系,研究阿尔芬波特性及影响条件。结果表明:传播角不同,振荡频率不同,而对增长率影响极小;质子注入速度增大,频率明显增大,增长率变化很小;束流质子的密度增大,增长率明显增大,但频率基本没有变化,且增长率都有最大值。说明束流能激发低频阿尔芬波,起到散射中心的作用。
第四章通过数值求解包含二阶费米加速的一维扩散方程,研究加速效率与日心距的关系。数值计算结果与观测事件的对比研究表明:在随太阳半径变化的背景条件下,激波加速粒子的能谱曲线呈幂律谱,能谱变硬,加速粒子的最大能量明显增大,加速效率增大;不同太阳半径处激波加速粒子效率不同,数值计算表明在十倍太阳半径附近加速效率最高,对比考察的二十个太阳高能粒子事件的通量-高度曲线以及逃逸粒子谱结论一致;最后对20 MeV的粒子能谱研究,变化规律也与观测事件的观测结果基本一致。
第五章对本文进行了总结讨论,并对下一步工作做了展望。