宇宙線是劇烈天體活動(dòng)（包括太陽）釋放出來的高能粒子，因其各種輻射損傷效應(yīng)而對航天器和宇航員構(gòu)成嚴(yán)重乃至致命的危害，成為國際空間環(huán)境和航空航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。例如，美國NASA和布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室共建空間輻射實(shí)驗(yàn)室（https://www.bnl.gov/nsrl/）專門用于研究空間高能粒子引起的輻射效應(yīng)，以評估空間輻射危害并提出應(yīng)對措施。在我國深空探測迅速推進(jìn)的今天，加強(qiáng)空間輻射環(huán)境與效應(yīng)的研究顯得尤為迫切。另一方面，對空間高能粒子的研究在科學(xué)理論突破上具有重大意義。宇宙線自1912年被奧地利科學(xué)家維克托·赫斯（Victor Hess，1936年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）發(fā)現(xiàn)以來，與之相關(guān)的研究已產(chǎn)生5枚諾貝爾獎(jiǎng)牌，但是高能宇宙線起源這一根本問題卻始終沒有得到解決，成為困擾國際科學(xué)界100余年的"世紀(jì)之謎"，是歐、美科學(xué)決策機(jī)構(gòu)提出的6個(gè)或11個(gè)本世紀(jì)基礎(chǔ)科學(xué)難題之一。近年來，隨著國際上幾個(gè)大型實(shí)驗(yàn)平臺相繼建立以及理論研究的深入開展，這一"世紀(jì)之謎"有望在今后10-20年內(nèi)得以徹底解決或取得突破性進(jìn)展。
要解決宇宙線起源問題，必須深入理解高能帶電粒子的加速和傳播過程及其物理機(jī)制。太陽高能粒子由太陽劇烈爆發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生并在行星際空間中傳播，因其觀測便利性而成為研究宇宙線起源、加速和傳播問題的范本粒子。高能帶電粒子在湍動(dòng)行星際磁場中經(jīng)歷沿磁場流動(dòng)、與太陽風(fēng)對流、絕熱磁聚焦、絕熱冷卻、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)等基礎(chǔ)物理機(jī)制。傳統(tǒng)的準(zhǔn)線性理論認(rèn)為高能粒子橫越磁力線的垂直擴(kuò)散作用極小，可以忽略不計(jì)，因此，研究領(lǐng)域中若干基本概念都是建立在只考慮平行擴(kuò)散作用的基礎(chǔ)之上。近年來，隨著多飛船協(xié)同觀測和非線性理論及數(shù)值模擬研究的發(fā)展，垂直擴(kuò)散機(jī)制的重要作用日益受到學(xué)界重視，并被用來定量解釋或重現(xiàn)相關(guān)觀測現(xiàn)象，從而促進(jìn)高能粒子傳播研究從定性分析到定量解釋的實(shí)質(zhì)性飛躍。然而，幾乎所有的已有觀測現(xiàn)象都能同時(shí)被假想的物理機(jī)制（比如磁場結(jié)構(gòu)）定性地解釋，雖然大部分情況下這些解釋只是一種粗淺的猜測，但卻在高能粒子研究領(lǐng)域中長期占據(jù)中心位置。因此，尋找一種獨(dú)特、精細(xì)和突顯垂直擴(kuò)散機(jī)制的觀測現(xiàn)象，成為高能粒子研究領(lǐng)域中一項(xiàng)十分重要的新課題。中科院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室何宏青副研究員和萬衛(wèi)星研究員通過對1996-2011年間共16年的太陽質(zhì)子事件（SPE）觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性的分析，首次發(fā)現(xiàn)太陽質(zhì)子事件東-西經(jīng)度非對稱分布的觀測現(xiàn)象，即當(dāng)飛船的磁力線足點(diǎn)與太陽源區(qū)之間的經(jīng)度距離相同時(shí)，來自東邊源區(qū)SPE數(shù)多于來自西邊源區(qū)SPE數(shù)，且該現(xiàn)象和規(guī)律具有普適性——對于不同能量和不同種類的高能粒子均成立。結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬工作，進(jìn)一步揭示出形成該現(xiàn)象的本質(zhì)原因是高能粒子的垂直擴(kuò)散機(jī)制。該項(xiàng)研究為垂直擴(kuò)散機(jī)制的重要作用提供了一個(gè)十分獨(dú)特的觀測證據(jù)，其獨(dú)特性表現(xiàn)在該現(xiàn)象很難用其他任何傳統(tǒng)研究中的物理機(jī)制體面地解釋。此外，在垂直擴(kuò)散機(jī)制的物理背景下，糾正了高能粒子學(xué)科領(lǐng)域中盛行25 年之久的"水庫（reservoir）"現(xiàn)象或模型，并在堅(jiān)實(shí)的理論和觀測基礎(chǔ)上將其重新命名為"洪水（flood）"現(xiàn)象，建立了基于垂直擴(kuò)散機(jī)制、可定量描述的"洪水"模型。該項(xiàng)研究成果近期發(fā)表于國際頂級專業(yè)期刊Monthly Notices of the Royal Astronomical Society（He & Wan, On the East-West Longitudinally Asymmetric Distribution of Solar Proton Events. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2017, 464, 85, doi:10.1093/mnras/stw2255）。該論文今年發(fā)表以來，目前已獲美國、德國、南非等國的著名研究組在其論文中引用和評述。
圖1：1996-2011年間觀測到的太陽質(zhì)子事件數(shù)量隨源區(qū)與飛船磁足點(diǎn)之間的經(jīng)度距離的分布（He & Wan, 2017）。
國際深空探測活動(dòng)正蓬勃開展，探測范圍從內(nèi)日球?qū)咏?jīng)行星際空間延伸至外日球?qū)幽酥寥涨驅(qū)舆吔绾托请H空間。所有這些探測任務(wù)、設(shè)備和電子元器件在設(shè)計(jì)時(shí)都必須對相應(yīng)空間區(qū)域的高能粒子輻射劑量和輻射環(huán)境進(jìn)行理論分析和實(shí)際評估，以免嚴(yán)重影響星載儀器設(shè)備的工作性能或大幅增加探測任務(wù)的成本。歐美學(xué)者在這方面開展了長期研究，建立了一些較實(shí)用的粒子通量、輻射劑量經(jīng)驗(yàn)公式，但是不同課題組得到的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)往往差別較大，且很難在定量的基礎(chǔ)上合理解釋這些差異。例如，早期利用內(nèi)日球?qū)语w船Helios 1、Helios 2及近地飛船IMP-7、IMP-8、ISEE-3、GOES觀測數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)就與近期利用繞水星飛船MESSENGER及近1 AU飛船STEREO-A、STEREO-B、ACE、SOHO觀測數(shù)據(jù)得到的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)不同。因此，為解釋和預(yù)報(bào)各行星的空間輻射環(huán)境與效應(yīng)，建立一套基于物理的行星空間輻射環(huán)境定量預(yù)測模型顯得尤為重要。中科院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室何宏青副研究員等對這項(xiàng)課題開展了系統(tǒng)、深入的研究，通過大規(guī)模數(shù)值求解5維Fokker-Planck聚焦傳播方程，厘清與彌合了國際上在粒子通量徑向變化函數(shù)關(guān)系上的各種分歧，解釋了產(chǎn)生分歧的重要原因，得到了粒子通量徑向變化經(jīng)驗(yàn)建模的下限，發(fā)現(xiàn)了粒子通量徑向依賴性的"兩階段"現(xiàn)象，并指出該現(xiàn)象的"斷點(diǎn)"位置取決于各飛船的磁連接狀態(tài)。這些研究結(jié)果可用于預(yù)測后續(xù)一系列飛船的高能粒子觀測數(shù)據(jù)。該項(xiàng)研究成果近期發(fā)表于國際頂級專業(yè)期刊Astrophysical Journal（He et al., Propagation of Solar Energetic Particles in Three-dimensional Interplanetary Magnetic Fields: Radial Dependence of Peak Intensities. Astrophysical Journal, 2017, 842, 71, doi:10.3847/1538-4357/aa7574）。
圖2：高能粒子通量強(qiáng)度的日心徑向距離依賴性。呈現(xiàn)"兩階段"現(xiàn)象，其"斷點(diǎn)"位置取決于各飛船的磁連接狀態(tài)（He et al., 2017）。
上述系列研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)等的資助。
（論文1鏈接網(wǎng)址：https://academic.oup.com/mnras/article-lookup/doi/10.1093/mnras/stw2255）
（論文2鏈接網(wǎng)址：https://doi.org/10.3847/1538-4357/aa7574）