行星际激波粒子加速机制的数值模拟研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:liongliong561
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无碰撞激波是空间高能粒子的主要来源。上世纪七八十年代,Bell、Krymsky、Blandford和Ostriker,以及Axford等人提出著名的扩散激波加速理论并给出激波下游加速粒子的幂律谱分布,成功地解释了观测到的宇宙线能谱分布特征。激波加速的机制主要包括一阶费米加速和激波漂移加速。一般情况下,这两种加速机制是同时存在的,在准平行激波中一阶费米加速通常占主导,而在准垂直激波中激波漂移加速显得更为重要。在本篇论文中,采用测试粒子模拟的方法研究了无碰撞激波对粒子的加速。  首先,研究了在给定的磁场湍流模型下准垂直激波对质子的加速。论文通过1998-2005年ACE卫星观测的激波事件列表中选取了一些行星际准垂直激波事件,根据它们的激波参数并采用时间向后的方法,求解粒子的运动方程以得到粒子的轨迹,然后通过假定的初始kappa分布和Maxwellian分布分析得到激波面加速粒子的能谱。对于模拟中的每个激波事件,调整粒子的注入能量使得数值模拟得到的加速能谱与观测的能谱相符,从而得到每个激波事件相应的注入能量,同时也给出了模拟的粒子加速能谱达到稳态的加速时间。结果表明,在我们的磁场湍流模型下,无论是采用初始的kappa分布还是Maxwellian分布,行星际准垂直激波都可以将热粒子加速到MeV高的能量;对于具有较高上游流体速度和非常接近90°的准垂直激波,粒子的加速能谱达到稳态需要的加速时间较短。  其次,研究了激波对电子的加速,并讨论了不同激波位型和磁场湍流强度对加速能谱的影响。由于低能电子的共振区在湍流谱的耗散区,研究电子的加速时考虑湍流谱是由惯性区和耗散区组成的。数值结果表明,垂直激波在较低的湍流强度下对电子的加速能力较强;平行激波在较高的湍流强度下对电子的加速能力较强;无论湍流强度的大小,斜激波对电子的加速都是很弱的。因此认为:垂直激波下的加速机制主要是激波漂移加速,平行激波下粒子的激波漂移加速和一阶费米加速在较高的湍流强度下都可以得到增强。此外还发现,低湍流强度下的垂直激波比高湍流强度下的平行激波的加速效率高,这可能是由于激波漂移加速比一阶费米加速更有效,前者主要来自于漂移加速,而后者只有部分的贡献来自于漂移加速。总体来讲,加速效率随着激波角度的增加而增加。也考虑了激波厚度的大小对电子加速的影响,通过研究垂直激波不同激波厚度下电子加速效率的变化,给出了一个特征的拐点厚度Ldiff,b。当激波厚度小于Ldiff,b时,电子的加速效率随着激波厚度的增加没有明显的变化;当激波厚度大于Ldiff,b时,加速效率随着激波厚度的增加而迅速降低。在我们的模拟参数条件下,这一特征激波厚度的尺度对应着离子的惯性长度。  最后,研究了不同湍流强度下垂直激波对电子的加速过程中,粒子每次穿越激波的相对动量变化△p/p和粒子动量的相对变化率△p/(p△t)随粒子速度的演变关系。结果表明,粒子穿越激波面前后的相对动量变化和粒子动量的相对变化率均随速度的增加而线性地减小。当粒子的速度小于2×108m/s时,它们随粒子速度的变化规律和理论的结果符合得很好。当速度大于2×108m/s时,粒子动量的相对变化率随速度的增加而迅速衰减,表现出明显的相对论效应。
其他文献
作者利用亚洲、部分欧洲及西太平洋58个数字地震台站以及国内34个数字地震台站,从中选取出范围为42~0E-170~0E,24~0S-66~0N,时间跨度从1982—2003.3年间的14000多条地震记录。在