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在太阳爆发期间，卫星可探测到高能粒子的通量突然增强，称为太阳高能粒子（SEP）事件。在一些极端SEP事件中，粒子能量可以达到几百兆电子伏（MeV）甚至十亿电子伏（GeV）。SEP事件足以毁坏卫星设备、威胁航天员人身健康，是空间天气灾害性事件的关键因素。

通常认为，极端SEP事件中的高能粒子主要是由日冕物质抛射（CME）驱动的激波加速的，而且要求激波具有很高的速度和较低的形成高度、与地球空间有较好的磁力线连接等。然而，并非满足这些条件时就可以产生极端SEP事件，这意味着还有其它因素在起着关键的作用。已有的研究表明，高能粒子的加速主要在几个太阳半径以内的日冕区域完成。我们知道，日冕磁场极其复杂，比如存在冕流这种大尺度闭合磁场结构且常与CME激波存在密切相互作用。因此，日冕磁场结构将显著影响激波的物理参数（如几何位形，即激波法向与上游磁力线的夹角），进而影响粒子加速的效率。

本研究工作基于扩散激波加速理论，使用随机微分方程方法数值求解Parker输运方程，模拟了一球面日冕激波在冕流状大尺度日冕磁场中向外传播时的粒子加速过程。研究表明，粒子在2-3个太阳半径以内即可被加速到几百MeV以上；并且，由于垂直激波位形和冕流闭合磁场的束缚作用，粒子加速比在径向日冕磁场情况下更为有效（见图一）。另外，日冕磁场结构显著影响高能粒子的空间分布。比如，在冕流状日冕磁场情况下，约100 MeV的高能量粒子主要分布于冕流闭合磁场区域（见图二）。这表明，日冕磁场结构决定了SEP的源区是在CME激波的顶部还是侧翼，并将影响到卫星能否探测到SEP事件及其通量的高低。

本研究工作由山东大学空间科学研究院、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和亚利桑那大学等单位合作完成，已被The Astrophysical Journal接受发表（The Acceleration of High-energy Protons at Coronal Shocks: The Effect of Large-scale Streamer-like Magnetic Field Structures, ApJ, 851, 38, 2017）。该研究工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、国家公派留学基金、美国能源部和国家科学基金等的资助。

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论文链接：http://adsabs.harvard.edu/abs/2017ApJ...851...38K

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图一：激波传播到不同日心高度时的高能粒子能谱。左图为冕流状日冕磁场的情况，右图为与径向日冕磁场情况下的对比。

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图二：激波在冕流状日冕磁场中向外传播时高能粒子的空间分布。上图为小于10 MeV较低能量的粒子，下图为大于90 MeV的高能量粒子。