比較行星空間輻射環境研究獲進展

宇宙線是劇烈天體活動釋放出來的高能粒子，其各種輻射損傷效應可對航天器和宇航員構成嚴重乃至致命的危害。宇宙線是國際空間環境和航空航天領域的熱點研究問題，自1912年被奧地利科學家維克托·赫斯（Victor Hess）發現以來，宇宙線起源這一根本問題始終沒有得到解決。

深入理解高能帶電粒子的加速和傳播過程及其物理機制是研究宇宙線起源問題的基礎。高能帶電粒子在湍動行星際磁場中經歷了沿磁場流動、與太陽風對流、絕熱磁聚焦、絕熱冷卻、擴散運動等基礎物理過程。傳統的準線性理論認為，高能粒子橫越磁力線的垂直擴散作用極小，可以忽略不計。因此，研究領域中若干基本概念均建立在只考慮平行擴散作用的基礎之上。近年來，隨著多飛船協同觀測和非線性理論及數值模擬研究的發展，垂直擴散機制的作用日益得到重視，並被用來定量解釋或重現相關觀測現象。這同時也促進了高能粒子傳播研究從定性分析到定量解釋的實質性飛躍。雖然絕大多數已有觀測現象均能同時被假想的物理機制（比如磁場結構）定性地解釋，但它仍在高能粒子研究領域中佔據著中心地位。因此，尋找一種獨特、精細和突顯垂直擴散機制的觀測現象，成為高能粒子研究領域中一項重要的新課題。

中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室通過對1996年至2011年間，共16年的太陽質子事件（SPE）觀測數據進行系統性分析，首次發現太陽質子事件東-西經度非對稱分布的觀測現象，即當飛船的磁力線足點與太陽源區之間的經度距離相同時，來自東邊源區SPE數多於來自西邊源區SPE數，且該現象和規律具有普適性——對於不同能量和不同種類的高能粒子均成立。研究團隊結合理論分析和數值模擬工作，進一步揭示出形成該現象的原因是高能粒子的垂直擴散機制。這項研究為垂直擴散機制的重要作用提供了一個十分獨特的觀測證據，其獨特性表現在該現象很難用其他傳統研究中的物理機制進行全面的解釋。這項研究還在垂直擴散機制的物理背景下，糾正了高能粒子學科領域中盛行25年之久的「水庫（reservoir）」現象或模型，並在理論和觀測基礎上將其重新命名為「洪水（flood）」現象，建立了基於垂直擴散機制、可定量描述的「洪水」模型。相關研究成果發表在Monthly Notices of the Royal Astronomical Society上。

此外，國際深空探測活動的探測範圍已由內日球層經行星際空間延伸至外日球層乃至日球層邊界和星際空間。這些探測任務及其所使用的設備和電子元器件在設計時都必須對相應空間區域的高能粒子輻射劑量和輻射環境進行理論分析和實際評估，避免對星載儀器設備的工作性能造成影響或增加探測任務的成本。國外學者在這方面已進行了長期的研究，建立了較為實用的粒子通量、輻射劑量經驗公式。然而，在研究過程中不同課題組得到的經驗函數往往差別較大，且很難在定量的基礎上合理解釋這些差異。因此，為解釋和預報各行星的空間輻射環境與效應，建立一套基於物理的行星空間輻射環境定量預測模型顯得尤為重要。地質地球所地球與行星物理院重點實驗室對這項課題開展了系統、深入的研究，通過大規模數值求解5維Fokker-Planck聚焦傳播方程，釐清與彌合了在粒子通量徑向變化函數關係上的各種分歧，解釋了產生分歧的重要原因，得到了粒子通量徑向變化經驗建模的下限，發現了粒子通量徑向依賴性的「兩階段」現象，並指出該現象的「斷點」位置取決於各飛船的磁連接狀態。研究結果可用於預測後續一系列飛船的高能粒子觀測數據。相關研究成果發表在Astrophysical Journal上。

1996-2011年間觀測到的太陽質子事件數量隨源區與飛船磁足點之間的經度距離的分布

高能粒子通量強度的日心徑向距離依賴性。呈現「兩階段」現象，其「斷點」位置取決於各飛船的磁連接狀態

來源：中國科學院地質與地球物理研究所

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