宇宙线太阳调制

宇宙线日球效应

银河宇宙线粒子进入日球后，其强度、方向、成分和能谱受到太阳风、太阳、行星际磁场以及太阳活动的作用而发生的变化，又称为宇宙线日球效应。宇宙线太阳调制，主要表现在宇宙线的日球传播、空间梯度、日球各向异性、太阳周调制和短期调制等方面。

正文

宇宙线的日球传播　宇宙线在日球的传播包括以下几种过程：

扩散　宇宙线粒子在行星际空间绕大尺度阿基米德螺旋线状磁场运动时，受到随机分布的不规则磁场的散射作用，粒子运动轨道与磁力线的夹角发生变化，形成扩散运动。扩散系数决定于粒子的磁刚度（见宇宙线地磁效应）和速度以及行星际磁场湍流功率谱。粒子的磁刚度或速度越大，扩散系数也越大。

对流太阳风带动行星际磁场，因而也带动在磁场中运动的宇宙线粒子作对流运动。在太阳系内的观测者,会看到一股沿太阳风速度方向的对流所引起的粒子流。另外，太阳风向外膨胀时，在其中运动的宇宙线粒子也受到类似于膨胀气体的绝热减速，使其能谱发生变化。

漂移　行星际磁场的梯度和曲率会引起宇宙线粒子轨道回旋中心的漂移。由于其他调制因素的作用，行星际空间宇宙线粒子的密度并非均匀，漂移就会引起粒子的发散或汇合，它对宇宙线在日球的传播，尤其是三维传播，影响很大。20世纪70年代后期，人们开始对它进行研究。

宇宙线的太阳周调制　日球内宇宙线的强度、成分和能谱，随太阳黑子活动11年周期而变化。

图1的曲线表明,在太阳活动极大年，宇宙线强度为极小；而在太阳活动极小年、宇宙线强度为极大。宇宙线能量越低，这种调制效应越明显，这就使低能宇宙线能谱偏离幂律谱(见银河宇宙线)。由于调制与粒子的磁刚度有关，因此宇宙线中氢氦比值也会发生相应的变化。　宇宙线的空间梯度　宇宙线进入日球后，强度随进入日球的深度而逐渐降低，因而在日球内有一强度的径向梯度。根据宇宙飞船对行星际空间的测量，宇宙线的异常成分和银河宇宙线相对强度的平均径向梯度分别为0.14/天文单位和0.08/天文单位。除了这种径向梯度外，还有垂直于黄道面的梯度。因此当地球绕太阳公转时，在不同的黄道纬度记录的宇宙线强度也有相应的周年变化。

宇宙线的日球各向异性　银河宇宙线进入日球空间，受到调制作用，原来基本上是各向同性的粒子流，变成具有一定方向性，即各向异性的粒子流，这就是日球各向异性。

宇宙线太阳日变化　粒子在黄道面内的各向异性，与行星际螺旋磁力线的方位有关。随着地球自转，地球上某一点的宇宙线台接收到来自不同方位的宇宙线粒子流，其强度随当地地方时的变化而变化，即太阳日变化。这种变化的平均幅度为0.4%,变化特性明显地随着太阳普遍磁场极性倒转而发生变化。

宇宙线南北各向异性　垂直于黄道面的各向异性。在同一地点沿与天顶成相同角度的南北两个方向，或在南北两个半球磁纬相同的台站测量宇宙线强度，测量的差即为南北各向异性（图2b中的虚线）。这种各向异性的变幅虽然只有千分之几到百分之一左右，但它明显地随行星际螺旋磁场极性的改变而发生变化。　宇宙线的短期调制　太阳大气结构不均匀，尤其是太阳活动使日球经常处于扰动状态，从而影响着宇宙线粒子的输运，使宇宙线强度发生短期变化。日球扰动有两种主要类型，一种是日冕瞬变活动引起的行星际激波和高速流，另一种是冕洞发出的稳定的太阳风共转高速流。宇宙线强度也有与之相对应的两类短期调制。

瞬变性宇宙线暴　即福布希下降。太阳活动极大年前后，日冕瞬变和太阳耀斑活动频繁。它们喷发出的等离子体流和激发的行星际激波，经过1～3天后就到达地球，与地球磁层相互作用形成急始型磁暴。同时，宇宙线强度也发生急剧下降，下降最大幅度可达25%，恢复则比较缓慢。图2a是第20太阳周期间19个大耀斑引起的宇宙线暴及其相关的行星际磁场扰动和地磁扰动。

共转性宇宙线下降　太阳活动极小年，太阳极区冕洞向低纬度扩展，形成稳定的太阳风共转高速流，每股高速流具有相同的磁场极性。当低纬冕洞通过太阳中心子午线后，经过3～5天高速流就能到达地球轨道，引起地磁扰动和宇宙线强度下降。这类下降幅度较小，平均只有 2%。图2b是1974年两股最稳定的高速流引起的地磁扰动和宇宙线强度下降。从此也可以看到不同极性的高速流经过时，宇宙线南北各向异性发生明显的变化。

宇宙线的短期调制与太阳周调制的关系是十分密切的，太阳周调制很可能是短期调制叠加的效应。在第21太阳周开始时，1978年初地球上开始记录到宇宙线暴，这时太阳周调制也开始了。但在远离太阳15天文单位的“先驱者”10号飞船,到5月初才开始记录到强度下降并开始新的太阳周调制。调制效应是以大约400公里/秒的太阳风速传播出去的。这个重要观测结果说明，太阳周变化是与局部的短期行星际扰动相联系的。关于宇宙线太阳调制的真正起因还不很清楚，有待今后继续观测和研究。

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