宇宙線太陽調製

銀河宇宙線粒子進入日球後,其強度、方向、成分和能譜受到太陽風、太陽、行星際磁場以及太陽活動的作用而發生的變化,又稱為宇宙線日球效應。宇宙線太陽調製,主要表現在宇宙線的日球傳播、空間梯度、日球各向異性、太陽周調製和短期調製等方面。

正文

宇宙線的日球傳播 宇宙線在日球的傳播包括以下幾種過程:
擴散 宇宙線粒子在行星際空間繞大尺度阿基米德螺旋線狀磁場運動時,受到隨機分布的不規則磁場的散射作用,粒子運動軌道與磁力線的夾角發生變化,形成擴散運動。擴散係數決定於粒子的磁剛度(見宇宙線地磁效應)和速度以及行星際磁場湍流功率譜。粒子的磁剛度或速度越大,擴散係數也越大。
對流 太陽風帶動行星際磁場,因而也帶動在磁場中運動的宇宙線粒子作對流運動。在太陽系內的觀測者,會看到一股沿太陽風速度方向的對流所引起的粒子流。另外,太陽風向外膨脹時,在其中運動的宇宙線粒子也受到類似於膨脹氣體的絕熱減速,使其能譜發生變化。
漂移 行星際磁場的梯度和曲率會引起宇宙線粒子軌道迴旋中心的漂移。由於其他調製因素的作用,行星際空間宇宙線粒子的密度並非均勻,漂移就會引起粒子的發散或匯合,它對宇宙線在日球的傳播,尤其是三維傳播,影響很大。20世紀70年代後期,人們開始對它進行研究。
宇宙線的太陽周調製 日球內宇宙線的強度、成分和能譜,隨太陽黑子活動11年周期而變化。
圖1的曲線表明,在太陽活動極大年,宇宙線強度為極小;而在太陽活動極小年、宇宙線強度為極大。宇宙線能量越低,這種調製效應越明顯,這就使低能宇宙線能譜偏離冪律譜(見銀河宇宙線)。由於調製與粒子的磁剛度有關,因此宇宙線中氫氦比值也會發生相應的變化。 宇宙線的空間梯度 宇宙線進入日球後,強度隨進入日球的深度而逐漸降低,因而在日球內有一強度的徑向梯度。根據宇宙飛船對行星際空間的測量,宇宙線的異常成分和銀河宇宙線相對強度的平均徑向梯度分別為0.14/天文單位和0.08/天文單位。除了這種徑向梯度外,還有垂直於黃道面的梯度。因此當地球繞太陽公轉時,在不同的黃道緯度記錄的宇宙線強度也有相應的周年變化
宇宙線的日球各向異性 銀河宇宙線進入日球空間,受到調製作用,原來基本上是各向同性的粒子流,變成具有一定方向性,即各向異性的粒子流,這就是日球各向異性。
宇宙線太陽日變化 粒子在黃道面內的各向異性,與行星際螺旋磁力線的方位有關。隨著地球自轉,地球上某一點的宇宙線台接收到來自不同方位的宇宙線粒子流,其強度隨當地地方時的變化而變化,即太陽日變化。這種變化的平均幅度為0.4%,變化特性明顯地隨著太陽普遍磁場極性倒轉而發生變化。
宇宙線南北各向異性 垂直於黃道面的各向異性。在同一地點沿與天頂成相同角度的南北兩個方向,或在南北兩個半球磁緯相同的台站測量宇宙線強度,測量的差即為南北各向異性(圖2b中的虛線)。這種各向異性的變幅雖然只有千分之幾到百分之一左右,但它明顯地隨行星際螺旋磁場極性的改變而發生變化。 宇宙線的短期調製 太陽大氣結構不均勻,尤其是太陽活動使日球經常處於擾動狀態,從而影響著宇宙線粒子的輸運,使宇宙線強度發生短期變化。日球擾動有兩種主要類型,一種是日冕瞬變活動引起的行星際激波和高速流,另一種是冕洞發出的穩定的太陽風共轉高速流。宇宙線強度也有與之相對應的兩類短期調製。
瞬變性宇宙線暴 即福布希下降。太陽活動極大年前後,日冕瞬變和太陽耀斑活動頻繁。它們噴發出的電漿流和激發的行星際激波,經過1~3天后就到達地球,與地球磁層相互作用形成急始型磁暴。同時,宇宙線強度也發生急劇下降,下降最大幅度可達25%,恢復則比較緩慢。圖2a是第20太陽周期間19個大耀斑引起的宇宙線暴及其相關的行星際磁場擾動和地磁擾動。
共轉性宇宙線下降 太陽活動極小年,太陽極區冕洞向低緯度擴展,形成穩定的太陽風共轉高速流,每股高速流具有相同的磁場極性。當低緯冕洞通過太陽中心子午線後,經過3~5天高速流就能到達地球軌道,引起地磁擾動和宇宙線強度下降。這類下降幅度較小,平均只有 2%。圖2b是1974年兩股最穩定的高速流引起的地磁擾動和宇宙線強度下降。從此也可以看到不同極性的高速流經過時,宇宙線南北各向異性發生明顯的變化。
宇宙線的短期調製與太陽周調製的關係是十分密切的,太陽周調製很可能是短期調製疊加的效應。在第21太陽周開始時,1978年初地球上開始記錄到宇宙線暴,這時太陽周調製也開始了。但在遠離太陽15天文單位的“先驅者”10號飛船,到5月初才開始記錄到強度下降並開始新的太陽周調製。調製效應是以大約400公里/秒的太陽風速傳播出去的。這個重要觀測結果說明,太陽周變化是與局部的短期行星際擾動相聯繫的。關於宇宙線太陽調製的真正起因還不很清楚,有待今後繼續觀測和研究。

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