地球物理学进展  2016, Vol. 31 Issue (1): 110-114   PDF    
基于一维随机输运模型的银河宇宙射线调制研究
辛娟1,2, 顾斌1,2     
1. 南京信息工程大学物理系, 南京 210044;
2. 南京信息工程大学空间天气研究所, 南京 210044
摘要: 本文运用随机微分方程方法,求解宇宙射线在日球层内的一维输运方程,基于太阳活动对银河宇宙射线含时扩散系数κrr的影响,计算O8+粒子在地球位置的能谱,模拟了太阳活动对银河宇宙射线的调制效应.其中包括,利用κrr余弦含时变化,模拟了宇宙射线的11年周期及其滞后效应;利用κrr的线性变化函数,模拟了一次福布斯下降事件中的粒子通量曲线.
关键词: 宇宙射线调制     一维随机输运模型     11年周期性     福布斯下降    
Modulation of galaxy cosmic rays with 1D stochastic transport model
XIN Juan1,2, GU Bin1,2     
1. Department of Physics, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210044, China;
2. Institute of Space Weather, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210044, China
Abstract: In this paper, the one-dimensional transport equation of galactic cosmic rays(GCRs) in the heliosphere was solved by the stochastic differential method. Based on the time-dependent diffusion coefficient κrr of GCRs, the energy spectrums of O8+ near the Eearth were calculated, for the study of the solar modulation of GCRs. Using the time-dependent κrr of cosine function, the 11 years periodicity and the hysteresis effect of GCRs were simulated. Based on a linear response function of κrr, the particle flux profile of a Forbush Decrease(FD) event was simulated.
Key words: galactic cosmic rays modulation     1D stochastic transport model     11 years periodicity     Forbush decrease    
0 引言

银河宇宙射线(GCRs,Galactic Cosmic Rays)是起源于太阳系之外,包含从氢到铀核所有元素的高能粒子,特征是能量高,能谱范围特别宽,且呈幂律分布(Rossi,1964;Blasi,2013).GCRs能够穿越太阳系,进入地球空间与大气层发生相互作用,在不同高度上产生大量不同成分和强度的次级粒子,导致空间辐射事件和地磁效应(乐贵明,2002;Bothmer,2007).近地空间的GCRs通量对地球气候变化也可能存在潜在影响(Carslaw et al.,2002).因此,GCRs是日地空间环境和大气环境的重要组成部分,并成为空间天气学研究的重要内容之一(Bothmer and Daglis,2007).

GCRs进入日球层后,与太阳风携带的电磁场发生相互作用,出现不同时间和空间尺度上的太阳活动调制效应(Levy,1976;Moraal et al.,1989;Nagashima et al.,1992;Le Roux and Potgieter,1995;Potgieter,2013).其中长期调制包括,太阳11年周期变化引起的11年周期性;受太阳磁场翻转影响形成的22年周期,以及与太阳所处的银河系位置相关的周期性;短时调制方面,包括由日冕物质抛射(CME,Coronal Mass Ejection)引起的GCRs强度短暂下降并缓慢恢复的福布斯下降(FD,Forbush Decrease)事件;太阳自转导致的27天周期等.这些GCRs调制现象,一方面是研究太阳活动的探针,另一方面也是根据太阳状态预测GCRs环境参数的依据.

Parker(1965)首先提出了能够描述宇宙射线行星际传播的Fokker-Planck方程,成为很多工作的基础.要求解GCRs在日球层内的传输过程,需要确定日球层外边界GCRs的能谱和日球层各处等离子体环境的状态.由于太阳活动的不确定性,日球层空间巨大,观测数据有限,使得方程的准确求解并非易事.Gloeckler和Jokipii(1967)在Parker工作的基础上,考虑了局地行星际能量密度后,对GCRs调制设定了一个上限.随后Gleeson和Axford(1968)提出了宇宙线输运的力场模型.忽略粒子漂移效应,太阳风终止激波和日鞘对粒子的加速,将粒子传输过程中的扩散、对流以及绝热能量损失都并入唯一的调制参数中,求出传输方程的稳态解.结果可较好地描述质子、氦核及电子等微分通量随能量的变化.

自从Fisk(1971)建立一维传输方程的稳态数值解以后,计算机模拟已经发展成研究不同时空尺度下GCRs传播特征的重要手段.一方面,为解释GCRs的调制机制,人们试图提出各类简化模型(Jokipii,1986;Li et al.,20072009),另一方面,包含CME,行星际激波与终止激波等要素的多尺度GCR输运模拟也越来越多(Potgieter and Moraal,1988;Hattingh et al.,1997;Gil et al.,2005;Luo et al.,2007;Strauss et al.,2012;Bobik et al.,2012).在各类模拟方法中,随机微分方程(SDE,Stochastic differential equation)方法具有较好的数值稳定性,兼具并行容易等优点(Zhang,1999).近年来,基于SDE的GCRs输运模拟逐渐被广泛应用.例如: Li等(2007; 2009)曾尝试通过一维随机方程模型,建立宇宙射线被太阳活动调制的直观物理机制.Luo等(2011;2013)人运用随机微分方法,研究了全局耦合作用对GCR的调制效应,以及旅行者记录的2007年GCR下降事件.Bobik等(2012)还系统研究了第23太阳周中GCRs质子的太阳调制,分析了漂移和纬度效应.

基于GCRs对空间天气效应的重要性和SDE的数值优势,本文在Li等(2007;2009)工作的基础上,用一维随机微分方程方法,模拟GCRs在日球层的传播.Wiedenbeck等(2005)以226Mev/nuc的C和O元素的宇宙射线强度观测为依据,报道了银河宇宙线的滞后效应的观测证据.虽然宇宙射线本身的质子比例较大,但是高能重离子与地球大气相互作用,产生次级粒子(尤其是中子)的效果更为显著.宇宙线通量的地面观测,多采用中子探测器.因此本文以O8+粒子为对象,对其能谱进行了研究,通过含时扩散系数的变化,给出了宇宙射线的11年周期性及其滞后现象;假设GCR扩散系数的线性变化,模拟了一次福布斯下降事件中粒子的通量变化曲线.这些结果是我们进一步运用SDE方法,研究GCRs调制机制,并将之运用到空间天气事件分析中去的基础.

1 模型与方法

Parker(1965)的宇宙射线传输偏微分方程为

其中f是与刚度P相关的GCRs时空分布函数,Vsw是太阳风速度,刚度P=pc/qp为粒子的动量,c是光速,q是粒子所带的电荷,κ是粒子的扩散系数张量.若假设方程具有球对称性,在以太阳中心为原点,日地连线为径向的一维坐标系中,输运方程可简化为

其中,r是观测点与太阳的径向距离,κrr是GCR的一维扩散系数.

根据随机微分方程理论,令ds=-dt,式(2)可改写成描述准粒子运动的随机微分方程组(Schuss,1980;Li,2007):

在上述倒向随机过程中dt<0;ξ为均匀分布在(0,1)之间的随机数,erf-1(ξ)是高斯随机数,因此表示布朗过程.推导公式(3)时,假定Vsw与径向无关,但 -Vswκrr是随径向变化的.Fujii和McDonald(2005)的研究表明在不同的太阳周,外日球层GCRs的κrrr具有不同的相关性.Zank等人(1996)的研究中则设κrr在日球层外是一个常数,在日球层内是r的线性函数.本文为简单起见,沿用了Wiedenbeck等(2005)Li等(2007)的方法,设在GCR稳态传播过程中κrrr无关.

随机微分方程方法模拟粒子输运过程是通过对大量准粒子的模拟,用统计方法获得问题的解.图 1给出了模型中在地球附近观测到的,能量为100MeV的O8+准粒子的三条随机路径.图中水平虚线为日球层外边界rout=90 AU,t1t2t3为随机路径中粒子到达外边界的时间.实际模拟中,粒子在t时刻(图中t=0),以100 MeV初始能量,从1 AU处开始,按照(3)和(4)式描述的路径倒向随机行走.若粒子因随机运动进入r<0.05 AU区域,则通过镜像对称操作,使其返回r>0.05 AU区域.设粒子在t′时刻运动到90 AU边界之外,此时能量为E.

图 1 在地球(1 AU)处观察到能量相同的准粒子的3条随机路径 Fig. 1 Three stochastic paths of the qusi-particles with the same energy when they are detected at the Earth.

忽略日鞘及终止激波的影响,设日球层外边界处GCR的能谱呈稳定的幂律分布:j(E)~E-2.35,其中E为准粒子的能量,j为粒子通量.通过对大量准粒子抽样模拟,并对所有跟踪路径在日球层边界处按上述幂律分布进行权重平均,可以计算任意时刻t在地球(1 AU)附近观测到的GCR分布函数f(p,t).概念上这与格林函数理论(Webb,1981)类似,即通过对格林函数G(R,p′,t′;r,p,t)和边界处的GCR频谱进行卷积,可得到粒子输运公式的解为

因此∫G(R,p′,t′;r,p,t)对dt′积分得到.显然G(R,p′,t′;r,p,t)表示的是从初始状态(R,p′,t′)到末状态(r,p,t)的转移概率.

2 GCRs调制效应的模拟 2.1 GCRs的11年周期及滞后效应

太阳活动的11年周期性导致GCRs在地球位置的通量存在类似周期性.但是GCRs周期相对于太阳活动存在一定的滞后效应.O’Gallagher(1975)首先在其一维模型中研究了滞后现象.Chin和Lee(1986)假设GCR扩散系数随时间呈正弦变化,并运用响应函数方法来解释该现象.Kota和Jokipii(1983)Le Roux和Potgieter(1990;1995)的工作包含了漂移效应.研究显示,在太阳活动极小期,年调制由漂移效应主导,而在太阳活动极大年,波浪电流片、CMEs等对调制过程有较大影响(Le Roux and Potgieter,1995;Lockwood and Webber,2005;Singh and Badruddin,2007).此外,Kane(2011)还研究了GCRs的滞后效应在太阳极小年与黑子数的关联.本文用一维随机模型与含时扩散系数相结合,模拟并定性研究地面观测到的GCRs的11年周期及其滞后性.对更多具体物理过程的研究是我们今后的研究方向.

要理解宇宙线输运的11年周期及其滞后效应,首先要弄清粒子在日球层内传输的时间尺度τ.假设τ~R2/(3κrr),若设GCR扩散系数与径向无关,令κrr=6×1022β(P/1GV)cm2/s,其中-E0A为粒子的质量数,c为光速,q为粒子所带电量,E0为质子的静止能量.仍以100MeV的O8+粒子为例,可以算出τ约为0.62年.在太阳活动极大年,扩散系数会减小约3.5倍(Hattingh et al.,1997),考虑到能量的损失,实际τ会超过2.17年.所以,扩散系数的含时特征对宇宙射线的滞后效应有较明显的影响.为此,我们根据Chin(1986)Li(2007)的工作设:

其中κBκS分别是粒子在太阳活动极小和极大年时的扩散系数,T=11年.在实际模拟中,我们取κS=6×1022β(P/1GV)cm2/s,κB=3.5κS.假设含时扰动由速度Vsw=400 km/s的太阳风所携带.模拟中O8+的能量范围为10 MeV~20 GeV.

图 2给出了从太阳活动极小期开始的一个太阳周(T=11年)中,以0.1T为间隔的10个不同时刻,地面的O8+粒子能谱的计算值.图中不同形状的点表示不同时刻GCRs传播SDE的含时解.与之对应的稳态解(各时刻κrr不随空间位置变化,粒子的扩散系数与日面保持一致)则用不同的线型表示.左图表示的是太阳活动增强的过程.右图则表示太阳活动减弱的过程.如图所示,在t=0~0.5T期间,太阳活动的增强明显减弱了宇宙射线的通量;在t=0.6~1.0T期间,随着太阳活动的减弱,宇宙射线通量则逐渐恢复.宇宙线的周期与太阳活动的周期呈反相关,这是太阳活动对宇宙射线最显著的长期调制.从图中还可以看出,低能粒子受太阳调制作用较明显,随着能量增加,调制效果逐渐减弱.

图 2 太阳周(T=11年)内十个不同时刻的O8+粒子通量分布.上图对应太阳活动上升期,下图对应太阳活动下降期.图中点是输运方程的含时解,对应线表示其稳态解 Fig. 2 The flux of O8+ at 10 different times in a solar period of 11 years. The top panel is from solar minimum to maximum, while the bottom panel shows the decreasing phase of solar activity. The time-dependent solutions are shown as points. The lines show the corresponding stable solutions.

图 2中各时刻的稳态解和含时解均存在一定的区别,两者差异即为GCRs的滞后效应.左图中,宇宙射线通量下降期,含时解总是大于稳态解;右图中,宇宙射线通量恢复上升期间,含时解总是小于稳态解.这一现象正是宇宙射线实际通量变化滞后于太阳活动周期的表现.就各时刻稳态解和含时解的区别大小来看,区别较大的时刻分别出现在t=0.3Tt=0.7T,它们对应的均是太阳活动变化率最大的时期,即太阳活动变化越剧烈,GCRs通量滞后效应越明显.

上述11年周期及其滞后效应主要受含时扩散系数的控制,其中太阳风速度Vsw和调制幅度(κBκS的倍率关系)是两个关键参数.在取Vsw=400 km/s,κB=3.5κS的条件下,图 2中所观测到的滞后效应约50%可以归因于κrr调制幅度的周期性变化.若要研究日冕物质爆发或行星际激波对GCR传输的影响,则需要考虑太阳风扰动速度和强度随时间的变化,以及含时扩散系数κrr对由太阳活动引起的行星际扰动的时空响应特性.

2.2 FD事件的模拟

GCRs的FD事件持续时间一般从几小时到几天.在较大的FD事件中,地面中子探测器测得的通量幅度变化可达背景的20%(Jordan et al.,2011).FD的产生与CME在行星际产生的共转相互作用区和行星际激波的演变关系密切(Belov et al.,2014).从GCRs在日球层输运的含时调制角度,对FD事件进行模拟(Wawrzynczak and Alania,2008;Patra et al.,2014),有助于人们理解其产生机制,解释太阳活动对FD的贡献.本文基于(8)式周期变化的κrr,用线性函数代表CME等太阳活动对GCRs扩散系数的调制,用SDE方法模拟了一次FD事件粒子通量的变化过程.

在典型FD事件中,粒子通量变化主要经历两个阶段,分别为下降期(t1-t 2)、恢复期(t 2-t 3),假设GCRs的扩散系数在t 2达最小值κmin,并进入恢复相,至t 3时刻粒子通量进入平稳期.在经历FD下降之后,最终的粒子通量恢复水平由继CME事件之后的扩散系数决定.在本文的模拟中,观测到的宇宙线通量数据的变化时间决定扩散系数的变化,这段时间表示宇宙线在传播过程中受到行星际扰动,将宇宙线的扩散系数κ′ rr设为时间的分段线性函数,并表达为

其中,κrr是(6)式决定的周期性GCR扩散系数,a1=κmin是宇宙线FD事件中扩散系数的最小值,Δκ是为拟合FD事件末期粒子通量恢复水平而选取的常数.

以1991年6月13日的FD事件为例.该事件发生期间,Climax中子探测器记录的粒子通量数据如图 3中虚线所示(http://www.ngdc.noaa.gov/ngdc.html).首先找出该事件发生时间在11年太阳周中的位置.其粒子通量下降期为5月23日至6月13日,恢复期为6月13日至6月22日,5月23日、6月13日、6月22日分别对应t1=2305.5天,t2=2324.5天,t3=2333.5天.计算发现,当κmin=2.25×1021β(P/1GV)cm2/s时,GCR变化曲线通量下降趋势与观测符合最好.对比t3后的通量恢复水平与事件初始时的通量,确定Δκ=3.7540×1021β(P/1GV)cm2/s.

图 3 1991年6月13日宇宙线FD事件的Climax中子通量观测值和GCR粒总通量模拟值 Fig. 3 GCR flux recorded by Climax neutron monitor (dash) and our calculatedvalue (solid line) on the 13 June 1991.

模拟中粒子通量用能量在10 MeV到20 GeV范围的粒子总通量表示.结果如图 3中实线所示.比较发现,计算结果与观测值在变化趋势上吻合较好.由于含时效应和随机性,本文所设的随时间线性变化的κrr,得到的通量曲线是非线性的.

上述结果显示,在选取合适的扩散系数函数的基础上,通过一维随机微分方程,可以模拟FD事件中GCRs通量的时变过程.值得指出的是,上述线性假设并未包含真实改变的物理细节,需要进一步改进.目前,我们正基于CME及相关行星际激波在日球层传播的速度和强度演化特征,设计更合理的含时扩散系数κrr,使其能够体现对行星际扰动时空响应的特性,从而更加准确地模拟FD产生的物理机制.

3 结论

3.1     本文通过随机微分方程方法,运用宇宙射线在日球层内的一维输运模型,初步研究了太阳活动对GCR的调制效应.模拟中设日球层外边界粒子源区分布稳定,并通过GCRs扩散系数κrr表示太阳活动对GCR输运行为的影响.非稳态解正是本文的特色之一.对GCRs 11年周期性的模拟结果显示,将余弦时变的扩散系数与一维输运模型相结合,可正确反映宇宙射线的11年周期特性及其滞后效应.对一次FD事件的初步模拟结果显示,FD事件中地面观测的粒子通量,也可以从太阳活动影响GCRs含时扩散系数的角度加以分析和模拟.

3.2     在这些定性结果的基础上,我们计划将上述含时SDE模型扩展到三维,研究CME、行星际激波、电流片等因素对GCRs扩散系数的影响,建立包含上述物理效应的GCRs调制模型,定量比较方程的解与观测结果,研究GCRs在日球层传播的相关现象,探索GCRs的微观物理机制.

致谢   作者感谢美国阿拉巴马大学(亨茨维尔分校)李刚教授给予的指导和帮助,感谢南京信息工程大学丁留贯博士的有益讨论.

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