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非稳态垂直无碰撞激波中的粒子加速

杨忠炜  
【摘要】:无碰撞激波是空间物理、等离子体物理和天体物理中常见的现象,它可将太阳风粒子、新生离子和超新星爆发残留物加速到很高能量,因此无碰撞激波和太阳高能粒子(SEPs)事件、异常宇宙射线(ACRs)、银河宇宙射线(GCRs)等相关,对它的研究具有重要的意义。空间观测、实验室研究、混合模拟和全粒子模拟都表明超临界准垂直激波是非稳态的,即在低情况下,激波面会出现重构现象:激波斜坡(ramp)前的激波脚(foot)不断增长,在斜坡前形成一个新的激波面并取代了老的激波面。本文研究了这样的非稳态超临界垂直激波条件下的电磁场演化,以及激波面的重构和涟漪(ripple)对离子加速的影响,得到了一些重要结果,具体如下: 1.非稳态垂直激波中电场的演化 利用一维全粒子模拟研究了非稳态、超临界垂直激波条件下的电场演化。分析了广义欧姆定律中霍尔项、洛仑兹项和电子压力梯度项对总电场的贡献。结果表明,随着激波面的演化,在老的激波面斜坡前会形成一个新的斜坡,新斜坡的幅度不断增大,最终会取代老的斜坡,这个非稳态的过程会是周期性的。随着新斜坡的增长,激波脚处的霍尔项逐渐变得重要(幅度与洛仑兹项相当)。当新的激波面完全取代老的激波面时,激波面法向静电场完全由霍尔项占主导。 2.在超临界非稳态垂直激波条件下的质子加速机制 通过将上游入流粒子分成反射(R)和直接穿过(DT)两类的方法详细研究了非稳态垂直激波条件下的质子加速机制。文中在一维全粒子模拟得到的时变激波电磁场下进行试验粒子研究。我们采用了两种试验粒子的速度分布:麦克斯韦和球壳速度分布。在所有的算例中,最高能的粒子是反射粒子,对应的加速机制有激波漂移加速(SDA)和激波冲浪加速(SSA)。实验结果如下:首先,如果我们在固定的激波位形下放试验粒子,发现在不同的位形下粒子的加速机制不同。在比较宽的激波面(激波过冲overshoot较弱)下,SDA占据主导;在窄而陡峭的激波面(激波过冲较强)下,SSA和SDA同时存在。研究结果表明,SDA总是比SSA要有效(体现在获得更大的能量上)。其次,在讨论非稳态重构激波中的粒子加速问题时需要将整个激波面的结构考虑进去。另外发现随着粒子初始能量的增大,SSA机制变得越来越重要,但是SDA始终占据主导。在重构激波时变位形下,被激波反射的试验粒子数量随时间呈现周期性的变化,这和以往的自洽全粒子模拟结果一致。与前人利用混合模拟在稳态垂直激波条件下获得的结果相比,非稳态激波条件下的反射粒子不但有来自麦克斯韦速度分布外围也有来自分布核心的。此外,我们研究了质子在非稳态垂直激波下游的速度分布。下游的质子具有一个环-核速度分布。环和核成分对应反射和穿过的粒子。 3.垂直激波条件下的重离子加速机制:非稳态激波面的影响 利用一维全粒子模拟得到的激波面电磁场和试验粒子方法研究非稳态激波面对重离子(3He2+,4He2+/O8+,O7+等)加速的影响。本文详细分析了具有不同荷质比和初始能量的重离子的反射和加速过程,主要结论如下:(i)重离子可以经历激波漂移加速(SDA)和激波冲浪加速(SSA);(ii)反射粒子数随着荷质比和初始能量的增大而增大,无论在稳态激波面(固定位形)下还是在非稳态激波面(时变位形)下,反射粒子总是随着激波的变窄/变陡而增多;(iii)非稳态激波面会使粒子更容易被反射;(iv)在不同荷质比和初始能量的粒子的激波面能谱中,反射粒子成分会在高能段形成一个单峰结构。我们将模拟结果与卫星探测器(ACE ULEIS和WIND LEMT)在大型太阳高能粒子事件中观测到的Fe/O能谱进行了对比,发现激波面重构可以剧烈改变Fe/O能谱高能段的形状。 4.超临界垂直无碰撞激波面的重构和涟漪对新生离子行为和能谱的影响 利用一维和二维全粒子模拟得到的激波面位形和试验粒子方法研究了超临界垂直无碰撞激波面的重构和涟漪对新生离子的加速和能谱的影响。新生粒子采用球壳速度分布(球壳大小可以变化),我们分别分析了SDA、SSA和DT新生粒子成分对其下游能谱的贡献。结果表明:(i)SDA和SSA是新生粒子有效的预加速机制,这两种加速机制的效率迥异;(ii)SDA常常伴随着SSA出现,然而在重构或小尺度涟漪存在时,SDA总是主导能谱的高能段。此外,激波面涟漪会造就多次弹跳(~涟漪尺度)的SSA粒子;(iii)大尺度的激波面涟漪有助于提高冲浪加速的新生离子对其下游能谱高能段的贡献;(iv)对于大球壳速度分布的新生离子,它们在激波下游的能谱呈现明显的幂率谱形式。


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