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太陽宇宙線
太陽活動(dòng)產(chǎn)生的高能粒子流
正文
質(zhì)子耀斑太陽活動(dòng)激烈時(shí)，在磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的活動(dòng)區(qū)中，磁場(chǎng)梯度很強(qiáng)的區(qū)域，可能發(fā)生質(zhì)子耀斑。它的特性是：在厘米和毫米波段有太陽射電爆發(fā)，且具有Ⅱ型和Ⅳ型暴；有硬X射線爆發(fā)，能譜變硬。太陽粒子可能從這些區(qū)域被加速至相當(dāng)高的能量，進(jìn)入日球空間，形成太陽高能粒子事件。粒子的通量和微波射電特性密切相關(guān)。現(xiàn)在已有可能根據(jù)質(zhì)子耀斑活動(dòng)特征對(duì)太陽質(zhì)子事件作出預(yù)報(bào)。
太陽質(zhì)子 太陽宇宙線中能量高于5×108電子伏的質(zhì)子能進(jìn)入地球大氣層，產(chǎn)生次級(jí)粒子，這種高能事件稱為相對(duì)論性太陽宇宙線事件或地平面事件。地平面事件的次數(shù)很少，從1942年到1978年全世界只記錄到31次。其中最大的一次發(fā)生在1956年2月23日，粒子的最大磁剛度（見宇宙線地磁效應(yīng)）至少高達(dá)2×1010伏特，磁剛度超過109伏特的質(zhì)子積分方向通量為107粒子／（米2·球面度·秒），相當(dāng)于銀河宇宙線強(qiáng)度的幾十倍。這類高能事件對(duì)宇宙飛行器和宇航員有一定的損傷作用。
太陽高能粒子中能量低于5×108電子伏的太陽質(zhì)子稱為低能太陽宇宙線。其中能量高于10×106電子伏的質(zhì)子能進(jìn)入地球極區(qū)電離層，使D層電子密度增加，導(dǎo)致無線電波衰減，形成“極蓋吸收事件”，甚至還能影響到高層大氣的光化學(xué)反應(yīng)，增加大氣NO成分，降低臭氧成分。極蓋吸收事件的次數(shù)比地平面事件多得多。1956～1978年記錄到的86次事件（包括10余次地平面事件）中，最大的一次發(fā)生在1972年8月4日，電波吸收高達(dá)60分貝以上，臭氧降低20％左右。能量更低的事件只能通過衛(wèi)星儀器觀測(cè)到，稱為“衛(wèi)星敏感事件”，它的次數(shù)更多。目前記錄到的太陽質(zhì)子的最低能量約為3×105電子伏。
太陽質(zhì)子的能譜比銀河宇宙線能譜陡，或者說比較軟，也就是低能粒子豐富、高能粒子稀少。不同事件的能譜有相當(dāng)大差別，其中低能部分容易因行星際傳播效應(yīng)而發(fā)生變化。高能譜較陡，冪指數(shù)在3.0～4.5之間；低能譜較平坦，冪指數(shù)在1.1～4.3之間。有好幾個(gè)事件的高、低能譜都可用指數(shù)接近于3的動(dòng)能冪律譜表示，有的用磁剛度譜表示，低能部分仍比較平坦。
核成分與同位素 表列出在行星際空間測(cè)量到的太陽粒子的核成分及其元素豐度。在正常情況下，低能事件的核成分與太陽核成分相當(dāng)接近。在更高能量，其成分也與太陽大體接近。但是低能事件核成分的變化是很大的，尤其是常規(guī)測(cè)到“富鐵事件”，即重元素的豐度隨核電荷數(shù)增加而增大(相對(duì)太陽豐度而言)。近年來觀測(cè)證實(shí)，這種富鐵事件的3He同位素也相當(dāng)豐富。在正常情況下，耀斑事件中3He/4He的值為光球估計(jì)值（約10-4）的10～30倍，一般認(rèn)為這是耀斑粒子與太陽大氣核反應(yīng)的產(chǎn)物。但是在重元素豐富的事件中，3He/4He的值竟然超過1，而且質(zhì)子數(shù)大為降低，觀測(cè)不到2H和3H同位素，對(duì)應(yīng)的耀斑也往往是小耀斑。目前有一種看法認(rèn)為，這是由于太陽離子聲波與3He核及其他重核的離子相互作用，導(dǎo)致共振加熱所引起的。
太陽電子 太陽電子由于磁剛度低，只能在衛(wèi)星上觀測(cè)到。幾乎所有的太陽質(zhì)子事件都同時(shí)記錄到太陽電子，這類事件稱為太陽電子-質(zhì)子事件，也有不伴隨質(zhì)子的純粹電子事件，其能量為2×104～3×105電子伏。純電子事件的耀斑特性，除有硬X射線和微波射電爆發(fā)外，與電子－質(zhì)子事件有明顯的差別。射電爆發(fā)不是Ⅱ型或Ⅳ型，而是Ⅲ型。電子通量與射電流量也無相關(guān)關(guān)系。典型的電子事件的方向通量為102粒子／(厘米2·球面度·秒)，最大可達(dá)104粒子／（厘米2·球面度·秒）。但是純粹電子事件的方向通量比較小，只有10～102粒子/(厘米2·球面度·秒)。在12～45兆電子伏能量范圍，電子對(duì)質(zhì)子的通量比為10-2～5×10-6,平均為10-4。不同電子事件能譜指數(shù)差別不大，微分能譜指數(shù)平均值γ=3.0±0.4,而質(zhì)子事件的γ值變化都比較顯著。
加速 在太陽電子-質(zhì)子事件中，非相對(duì)論性電子常常比相對(duì)論電子（ E塼30萬電子伏）和質(zhì)子先到達(dá)地球，這表明低能電子先被加速。一般認(rèn)為，太陽粒子的加速包括兩個(gè)階段，首先是對(duì)電子預(yù)加速到非相對(duì)論能量，并激發(fā)出各種類型的脈沖爆發(fā)，形成耀斑。由于電場(chǎng)和波的作用，使電子進(jìn)一步加速并匯聚成日冕電子流，產(chǎn)生Ⅲ型射電爆發(fā)，電子流離開太陽進(jìn)入行星際空間；第二階段是耀斑爆發(fā)達(dá)到極大時(shí)，形成日冕激波，產(chǎn)生Ⅱ型射電爆發(fā)。激波或其他湍流使電子加速到相對(duì)論能量，同時(shí)也對(duì)質(zhì)子進(jìn)行加速，使電子和質(zhì)子進(jìn)入行星際空間。高能電子在磁場(chǎng)中激發(fā)同步加速輻射，形成Ⅳ型射電爆發(fā)。
傳播效應(yīng) 太陽宇宙線進(jìn)入行星際空間受到太陽風(fēng)和行星際磁場(chǎng)的作用，強(qiáng)度和方向都會(huì)發(fā)生變化，稱為傳播效應(yīng)。太陽耀斑發(fā)生后，要經(jīng)歷十幾分鐘甚至幾十分鐘，才能在地球附近觀測(cè)到各種能量的粒子。粒子的到達(dá)時(shí)間比按其速度折算的時(shí)間長，即使是能量相同的粒子也不是同時(shí)到達(dá)的。在行星際空間觀測(cè)到的太陽宇宙線粒子的強(qiáng)度變化，有個(gè)時(shí)間發(fā)展過程，這個(gè)過程的長短決定于粒子能量的高低，但是都遠(yuǎn)超過耀斑活動(dòng)本身的持續(xù)時(shí)間。粒子的強(qiáng)度先是在幾分鐘到幾小時(shí)內(nèi)迅速增長至某一極大值，然后近似地隨時(shí)間按指數(shù)函數(shù)形式，經(jīng)歷數(shù)小時(shí)至幾天衰減到增加前的水平。根據(jù)時(shí)間變化曲線，可以估算出粒子的傳播距離約為 3～12天文單位，視粒子的能量而定。這些時(shí)間變化特征表明，太陽宇宙線是經(jīng)歷了曲折的路程才到達(dá)地球的，它走的既不是直線，也不是簡單地繞行星際螺旋磁力線作回旋運(yùn)動(dòng)到達(dá)地球的。它的輸運(yùn)過程很象脈沖點(diǎn)源的擴(kuò)散過程。行星際介質(zhì)非常稀薄，只有磁場(chǎng)才能影響太陽粒子的運(yùn)動(dòng)。在行星際空間，除了呈螺旋線狀的大尺度磁場(chǎng)外（見行星際磁場(chǎng)），還疊加著太陽風(fēng)的波動(dòng)和湍流引起的隨機(jī)小尺度不規(guī)則磁場(chǎng)。正是這種不規(guī)則磁場(chǎng)，使太陽宇宙線粒子的運(yùn)動(dòng)軌道發(fā)生隨機(jī)的散射，形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。
低能太陽宇宙線有明顯的方向性，即各向異性。在事件開始階段，各向異性很大，達(dá)20～25％，方向明顯地沿日地聯(lián)線偏西的行星際螺旋線方向，這說明粒子最初是沿螺旋磁力線到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的。隨著粒子強(qiáng)度增大至極大值，在地球附近粒子密度分布趨于均勻，因此沿螺旋線的各向異性也變小。值得注意的是，各向異性逐漸轉(zhuǎn)到日地聯(lián)線即太陽風(fēng)的方向。這說明除了沿磁力線的擴(kuò)散外，還有隨太陽風(fēng)對(duì)流的輸運(yùn)過程。這種對(duì)流效應(yīng)是由于太陽風(fēng)帶動(dòng)行星際磁場(chǎng)，因而也帶動(dòng)宇宙線粒子運(yùn)動(dòng)所引起的，在宇宙線事件后期起著主導(dǎo)作用。太陽風(fēng)對(duì)流會(huì)帶動(dòng)密度峰離開太陽。而當(dāng)密度峰通過觀測(cè)點(diǎn)后，擴(kuò)散就會(huì)變成沿磁力線方向指向太陽。這種逆向擴(kuò)散與徑向太陽風(fēng)對(duì)流矢量合成，就使各向異性矢量轉(zhuǎn)到沿日地聯(lián)線以東約45°方向。粒子各向異性的時(shí)間變化，有力地說明粒子除沿磁力線擴(kuò)散外，還存在徑向?qū)α餍?yīng)。在事件開始時(shí)，擴(kuò)散占主導(dǎo)作用，而在后期對(duì)流起主導(dǎo)作用。
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