太阳高能粒子事件是行星际中观测到的最常见的太阳粒子加速现象。依据多重德拜球层理论，揭示了太阳高能粒子的加速机制，以及质子事件和富含³He的电子事件的成因。

背景

1.  太阳高能粒子事件是行星际中观测到的最常见的太阳粒子加速现象之一。 太阳高能粒子事件根据主导粒子的不同，可分为质子主导的大太阳高能粒子事件和电子主导的富含³He的太阳高能粒子事件，并可简称为质子事件与电子事件。在质子事件中，³He/⁴He~5×10^-4比率与日冕相同，在电子事件中，³He/⁴He≥0.01，显著高于日冕和背景太阳风中的丰度（³He/⁴He~5×10⁻⁴）。

2.  迄今为止，流行的太阳高能粒子加速机制：费米加速，等离子体湍流加速，磁重联时电流片的感应电场加速，激波加速等。但这些加速机制都没有揭示电子事件及质子事件的成因（1-11）。

太阳高能粒子的加速机制及电子/质子事件成因

1.  等离子体中任意荷电量的球形荷电体的德拜长度

迄今为止，在等离子体理论中，德拜长度只涉及等离子体中电子或与电子等电量的荷电粒子，而对等离子体中任意荷电量的荷电体的德拜长度，未有文献。下面通过一个思想实验进行分析。

（1）     设等离子体中荷电为e的荷电粒子的德拜球的半径或德拜长度为，e为电子的电荷。

（2）    对于等离子体中一个理想的球形荷电体，其半径近似为零，其荷电为q=ne，n为自然数，e为电子的电荷，并设该荷电体由n个荷电为e的荷电粒子构成。

（3）    以该球形荷电体（q=ne）为中心，在其外部构建一个半径为R的球，并将该球分成n等份，即每份为立体角为的锥体。

（4）    将n个荷电为e 的荷电粒子的德拜球（等离子体流体）迁移，分别装入到n个立体角为之锥体内。并调节半径R，使每个锥体恰好被注满。

（5）    由于荷电为e的荷电粒子的德拜球的荷电为-e，因此，当n个锥体被这些德拜球中等离子体（流体）注满后，在该球形荷电体（q=ne）的外部就形成了荷电为-ne的球体或更准确地讲是球层。该球体或球层正是球形荷电体（q=ne）的德拜球，该球的半径或该球层的厚度，即球形荷电体（q=ne）的德拜长度。由于，则。

（6）      在等离子体中，理想的球形荷电体（q=ne）的德拜长度为。该结果不但非常适用于荷电量为ne的离子，而且适用于近似处理等离子体中或电解质溶液中任一球形荷电体。

（7）    上述思想实验及其结果是合理的，它与经典的德拜-休克尔的电解质溶液理论和现代等离子体理论不矛盾。将1-5中“德拜球”替换成“离子氛”，其分析结果同（12）。

2.  荷电粒子的多重德拜球层（charged particle multiple Debye spherical layers, 缩记为CMDS）

（1）    在等离子体中，由于静电力作用，统计运动中任一个荷电粒子外部存在德拜球及多重德拜球层。相邻层荷电等量异号。相邻层间有电场。如图1所示（13）。

（2）    相邻层间的荷电粒子在相邻层间电场驱动下会跑到与荷电粒子异号的荷电层中，从而在相邻层间可形成间隙或槽区。

图1. 荷电粒子多重德拜球层（CMDS）

荷电粒子(q₀)的多重德拜球层（CMDS），以等效荷电球壳表示各层。中心荷电粒子的德拜球为第一球层（L₁），相邻球层L_n和L_n+1荷电等量异号。

3.  多重德拜球层中相邻层间释电条和充电条的运动

（1）  荷电粒子的多重德拜球层（CMDS）中任意连续相邻的四个层，第n+1,n+2,n+3,n+4层, n为自然数，对于n+2和n+3层间释电条,由于释电过程中，该释电条中混入增加了来自n+3层的电荷，则会受到n+1层的斥力作用；同样，该释电条中混入增加了来自n+2层的电荷，则会受到n+4层的斥力作用。因CMDS中每层位形为球层状，曲率为正，且由内向外相邻层间隙逐渐增大的基本状态，所以对于n+2和n+3层间释电条，来自n+1层的斥力强于来自n+4层的斥力，则该释电条向上（外）运动。反之，对于n+2和n+3层间充电条，充电条向下（内）运动。

（2）  CMDS相邻层间释电条上升，充电条下沉，可导致释电条的底部区域形成凸位形，而充电条的底部区域形成凹位形。如图2所示（14）。

图2. CMDS相邻层间释电条和充电条的运动

CMDS中相邻层，第n+2层与n+3层，两层之间释电条(绿色)上升，充电条（棕色）下沉。

4.  星体或星系多重德拜球层

（1）    在星体的核心，由于引力势能与核聚变能量的释放，导致该核心的物质处于高温等离子体状态。由于正、负荷电粒子的质量差别，它们的扩散率不同。由于电子的扩散率远高于正离子的扩散率，导致该核心为正电区域，而在该核心外生成球层形德拜鞘，即电双层。由于德拜鞘（第1德拜球层）对外电场作用，向外衍生出多重德拜球层，即该星体或该星系的多重德拜球层。相邻层荷电等量异号。每层厚度与该星体的核心的荷电（总）量正相关。

（2）    由于星体多重德拜球层或该星系的多重德拜球层伴随该星体旋转，相邻层间产生磁斥力，导致相邻层间的间隙或槽区大幅增大（15）。

5.  局部日冕与上方等离子体云团之局域多重德拜球层

（1）       太阳系多重德拜球层（CMDS_日）

在CMDS_日中，光球在（+）层，日冕在（-）层， 小行星带在（+）层，柯依伯带在（-）层，奥尔特云在（+）层，...，无限。如图3所示。 

图3.太阳系多重德拜球层（charged multiple Debye spherical layers of the solar system）

在CMDS_日中，光球在（+）层，日冕在（-）层， 小行星带在（+）层，柯依伯带在（-）层，奥尔特云在（+）层，...，无限。 

（2）        局部日冕与其上方等离子体云团之局域多重德拜球层

同理于局部地表与上方云团所形成的局域多重德拜球层，由于日冕在CMDS_日中负电层，即在（-）层。在日冕的对外电场作用下，局部日冕与其上方的等离子体云团，可形成局域多重德拜球层。相邻层荷电异号，相邻层间有电场并蓄有电能。其中负电层中电子为主导粒子，正电层中质子为主导粒子。在平静状态中，由于相邻层间电场，相邻层中荷电粒子彼此向对方有小通量的渗透，尤其边界区域。这会导致相邻层出现间隙或槽区，如图4所示（16）。

图4.局部日冕-上方等离子体云团之局域多重德拜球层

局部日冕与其上方的等离子体云团形成的局域多重德拜球层。相邻层荷电异号。各层中主导粒子以绿圈标注。在平静状态中，在相邻层间电场作用下，相邻层之间有小通量的荷电粒子向对方迁移或渗透（箭头所示），尤其边界区域。这会造成相邻层间产生间隙或槽区（棕色）。图中主要简略地标注了在相邻层间电场下，第3，4层之间粒子互动状态，层序按照由下往上的排布。

6.  日冕物质抛射（CME）的动力机制

（1）  局部日冕与上方等离子体云团所形成的局域多重德拜球层（图4），一旦受到强烈扰动，会激发相邻层间强烈释电。彗星坠落，磁场变化，日冕（-）与小行星带（+）之间行星释电条或较大彗星的释电条扫过等，都会对日冕上方等离子体云团造成强烈扰动。

（2）  由于

（a） 局部日冕-等离子体云团之局域多重德拜球层相邻层间强烈释电所蕴含的强大上升力；

（b）局域多重德拜球层相邻层间强烈释电所释放的大量电能转换成热能，引发该等离子体云团快速膨胀。

因此，该局域多重德拜球层相邻层间强烈释电，会驱动等离子体云团快速向外运动，即日冕物质抛射（CME）。

7.  电子/质子事件的成因

CME等离子体云团，进入行星际空间中，仍在一定程度上保持着在日冕上方所形成的多重德拜球层。因此，当CME等离子体云团中正电区或负电区途经人类的粒子探测器时，相应地可被检测到质子事件或电子事件。

8.  电子事件中富含³He的成因

（1）  局部日冕-上方等离子体云团之局域多重德拜球层，相邻层间电场，会驱动正电层中荷电粒子向负电层迁移。如图4所示。

（2）  正电层中正荷电粒子向负电层迁移的加速度，，其中，E为相邻层间电场强度；q/m为荷电粒子的荷质比。

（3）  由于He离子即α粒子通常有两个正电荷， ³He离子含两质子与一个中子，而⁴He离子含两个质子与两个中子，则³He离子与⁴He离子的荷质比通常分别为2/3与1/2。故³He离子的荷质比高于⁴He离子的荷质比。因此，³He离子的迁移加速度高于⁴He离子。所以，³He离子比⁴He离子更易进入负电层。这导致负电层内³He与⁴He的数密度比率³He/⁴He升高。

（4）  CME等离子体云团，进入行星际空间中，仍在一定程度上保持着在日冕上方所形成的多重德拜球层。因此，当CME等离子体云团中正电区或负电区途经人类的粒子探测器时，可被检测到质子事件或电子事件。与此同时，多数电子事件中³He/⁴He，显著高于日冕和背景太阳风中的丰度。

讨论

1.      在上述中，推导出等离子体中任意荷电量的球形荷电体的德拜长度。这无疑会促进等离子体理论及电解质溶液理论的发展，同时也清除了多重德拜球层理论在空间物理上应用的主要障碍。

2.      对于星体，尤其行星和恒星，围绕其核心区域-正电区的星体多重德拜球层或星系多重德拜球层，由于相邻层间电场，相邻层间会产生间隙或槽区。又因多重德拜球层伴随该星体旋转，相邻层间产生磁斥力，导致邻层间的间隙或槽区大幅加大。依此可解释，在地磁场的平静期，地球辐射带中的内、外带之间非常大的间隙或槽区。地球辐射带中内、外带的主要区域分别位于地球多重德拜球层中相邻的正电层和负电层（17）。

3.      局部日冕-上方等离子体云团之局域多重德拜球层（图4）的相邻层间电场，驱动正电层中的荷电粒子向负电层迁移，尤其靠近正电层的区域。这使得³He^/4He≥0.01的分布状态可出现在负电层中大部分区域，但又不是全部区域。因此，多数但非全部电子事件中³He^/4He≥0.01。这吻合实际探测结果。约80%的电子事件， ³He^/4He丰度≥0.01。详见参考文献1。

4.      由于地球辐射带中内、外带的主要区域分别位于地球多重德拜球层中相邻的正电层和负电层，外带中主导粒子是电子，而内带中主导粒子是质子。因此，推测在磁静期时，外带中富含³He，并高几率³He^/4He≥0.01。所以，探测在磁静期时外带中³He^/4He比率，有助于理解电子事件中富含³He的成因。  

结论

1.  通过对局部日冕-上方等离子体云团之局域多重德拜球层，以及CME等离子体云团中残留的多重德拜球层等分析，展示了太阳高能粒子的加速机制，以及质子事件和富含³He的电子事件的成因。

2.  等离子体中，球形荷电体（q=ne）的德拜长度，

3.  电解质溶液中，任意离子（荷电q=ne）的离子氛的厚度或德拜长度，。

致谢

1.      感谢中国科学院云南天文台的朱伯靖老师的鼓励与指导。正是在他指导下对王玲华老师的太阳高能电子事件论文的深入分析，并结合多重德拜球层理论，才得到本文所呈现的一点科学发现或体会。

2.      感谢龚碧平，于迎军，吕和发，杨宝华，盛德富，徐树奎，鲍玉琴，余关关，朱凤景，贾克，关绍先，李耀鸾老师和从科学网结识的多位老师以及科学网站的老师们的鼓励和指导！

参考文献

1.       王雯，王玲华，太阳高能电子事件            https://www.sjdz.org.cn/article/doi/10.19975/j.dqyxx.2022-040

2.   Linghua Wang, Solar impulsive energetic electron events      https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2009PhDT........96W/abstract

3.       Wen Wang, Linghua Wang, Energy Spectrum of Solar Energetic Electron Events over 25 Years             https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acbea2

4.       Linghua Wang, A STATISTICAL STUDY OF SOLAR ELECTRON EVENTS OVER ONE SOLAR CYCLE,       https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/759/1/69/meta

5.       L. Rodríguez-García, Solar energetic electron events measured by MESSENGER and Solar Orbiter, Peak intensity and energy spectrum radial dependences: Statistical analysis,  https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2023/02/aa44553-22/aa44553-22.html

6.       Yan Li，Jun Lin，Charged-particle acceleration in a reconnecting current sheet including multiple magnetic islands and a non-uniform background magnetic field   https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2017/09/aa30026-16/aa30026-16.html

7.       Coronal mass ejection                        https://en.wikipedia.org/wiki/Coronal_mass_ejection

8.       林元章，日冕物质抛射（CME），《太阳物理导论》，527-531：ISBN:703-0087607

9.       Solar wind ，https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_wind

10.   涂成勇，太阳风的形成机制：起源、加速、加热                                   https://sess2.pku.edu.cn/kxyj/yjld/2300.htm

11.   Solar energetic particles                    https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energetic_particles

12.   Debye length                                  https://en.wikipedia.org/wiki/Debye_length

13.   池德龙，多重离子氛与多重德拜球层                         https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3474929&do=blog&id=1422323

14.   池德龙，荷电粒子多重德拜球层理论在空间物理上的应用             https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3474929&do=blog&id=1442522

15.   张之翔，《电磁学教学参考书》，第102-103页。

16. 池德龙，雷雨云起电与星体发光机制                           https://blog.sciencenet.cn/blog-3474929-1364841.html

17.  Delong Chi, A new perspective on Earth’s radiation zone   https://www.scirp.org/journal/paperinformation.aspx?paperid=113575