博文

太阳风的形成机制及重离子（α粒子）的速度较高的成因

已有 2933 次阅读 2024-1-31 17:30 |个人分类:太阳风的形成机制与重离子（阿尔法粒子）的速度较高的成因|系统分类:科研笔记

太阳风是由冕洞射出的等离子体流与日冕物质抛射所形成的等离子体流汇集成的混合体。从冕洞射出的等离子体流是由光球物质抛射所形成的等离子体流与色球物质抛射所形成的等离子体流汇集成的混合体。

依据太阳多重德拜球层机制，日冕所在层(-)与光球所在层(+)之间电场，日冕所在层(-)与小行星带所在层(+)之间电场，调节途经荷电粒子的运动速度。

冕洞越大，其对应区域的等离子体密度越低，从冕洞射出的粒子流所遇到的阻力越小。因此，冕洞越大，从其射出的粒子流到达近地空间的速度越高。所以，太阳风高速流源于较大冕洞。

从较大冕洞射出的荷正电的粒子流，被日冕所在层(-)与小行星带所在层(+)之间电场减速，其减速效果与粒子的荷质比正相关。因此，到达近地空间的太阳风高速流中重离子（α粒子）的速度高于太阳风整体速度。

太阳多重德拜球层（CMDS_日）

在太阳内部，尤其在其中心区域，由于引力势能与核聚变能量的释放，导致中心区域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，导致在中心区域及附近形成球层形德拜鞘，即电双层。由此进一步衍生出多重德拜球层，即太阳或太阳系多重德拜球层（CMDS_日），相邻层荷电等量异号。引力势能与核聚变能量所释放的总体能量转化为CMDS_日相邻层间所储电能（1,2）。如图1所示。

图1. 太阳多重德拜球层（CMDS_日）

太阳多重德拜球层（CMDS_日）中相邻层，荷电等量异号，相邻层间存在电场，相邻层间蓄有电能。

太阳多重德拜球层-8.jpg

太阳多重德拜球层（CMDS_日）相邻层间电场对荷电粒子的运动速度的调节

依据太阳多重德拜球层（CMDS_日）机制（图1所示），日冕在CMDS_日中的负电层，而光球在正电层，小行星带在正电层。CMDS_日相邻两层间电场对荷电粒子的运动速度存在调节作用。

1. CMDS_日相邻层间CMDS_日₊^-（+：光球所在层；-：日冕所在层）的电场对电场中的荷正电粒子近乎沿日径向加速，对负荷电粒子近乎沿日径向减速。

2. CMDS_日相邻层间CMDS_日_-⁺（-：日冕所在层；+：小行星带所在层）的电场对电场中的负荷电粒子近乎沿日径向加速，对荷正电粒子近乎沿日径向减速。

太阳风的形成机制

1. 太阳风由太阳风1与太阳风2混合而成（3-6）。其中

（1）太阳风1：从冕洞中发出的等离子体流。冕洞为日冕上的凹薄区域，冕洞（-）与光球(+)之间形成天然完美的正电荷粒子的加速器及其粒子射出口。质子，α粒子等荷正电的粒子在冕洞与光球之间的电场中可得到很好的加速。如图2所示。

图2. CMDS_日相邻层间电场对荷电粒子的加速

CMDS_日相邻层间CMDS_日₊^-（+：光球所在层；-：日冕所在层）的电场对电场中的荷正电粒子近乎沿日径向加速，并从日冕的薄弱区-冕洞穿越射出。

（2）太阳风2：CME（日冕物质抛射）的等离子体流。如视频1所示；

视频1. 太阳风2的起源

CME(日冕物质抛射)所贡献的等离子体流。

Coronal_mass_ejection_on_28_October_2021_ESA25032924.gif

太阳风高速流的形成机制

CMDS_日相邻层间CMDS_日₊^-（+：光球所在层；-：日冕所在层）的电场对电场中荷正电的粒子近乎沿日径向加速。冕洞为日冕上凹薄区域，越大的冕洞，其对应区域的等离子体密度越低。因此，从越大的冕洞内射出的等离子体流途经日冕所遇到的阻力越小，到达近地空间的速度越高。所以，太阳风高速流源于较大冕洞（7）。

太阳风高速流中重离子（α粒子）的速度较高的成因（8）

1. CMDS_日相邻层间CMDS_日_-⁺（-：日冕所在层；+：小行星带所在层）的电场对电场中的负荷电粒子近乎沿日径向加速，对荷正电粒子近乎沿日径向减速。

2. CMDS_日相邻层间CMDS_日_-⁺（-：日冕所在层；+：小行星带所在层）的电场对电场中荷正电粒子近乎沿日径向减速。其减速效果与粒子的荷质比（q/m）正相关。见备注。

3. 由于质子的荷质比高于重离子（α粒子）的荷质比，则到达近地空间的太阳风高速流中重离子（α粒子）的速度高于太阳风整体的速度。

备注：CMDS_日_-⁺（-：日冕所在层；+：小行星带所在层）相邻层间电场E，它对沿日径向运动的荷正电q的粒子进行反向加速，即减速，荷正电q的粒子获得反向加速度近似为。进一步做匀减速之简化处理，则，。

讨论

1. 太阳耀斑在光球，色球，日冕上皆可发生, 并引发太阳大气加热（9，10）。既然存在日冕物质抛射（CME=coronal mass ejection）,同理，也必然存在光球物质抛射（PME：photospheric mass ejection,）,色球物质抛射（CME：chromospheric mass ejection）。

2. 虽然日冕的存在，它遮挡了光球物质抛射与色球物质抛射的粒子流，但是冕洞提供了光球物质抛射与色球物质抛射的粒子流的出口。因此，从冕洞射出的等离子体流主要来源于光球物质抛射与色球物质抛射。

3. 光球所在层（+）与日冕所在层（-）之间的电场对途经的粒子的作用，或光球所在层（+），色球所在层（-，或+，亦或含偶数个层，待定），日冕所在层（-）之间的电场，对途经荷电粒子的作用，调节其运动速度使其变化，但变化幅度不大。另外，从冕洞射出后，这些粒子在日冕所在层（-）与小行星带所在层（+）之间的电场作用中，到达近地空间，其运动速度差别也不大。因此，在近地空间探测它们，才有重离子的速度近同的现象出现。只是质子的速度比重离子的速度略小一点。

4. 由冕洞内部向外射出的荷正电的粒子流，受到了太阳多重德拜球层（CMDS_日）相邻层间CMDS_日₊^-（+：光球所在层；-：日冕所在层）电场的加速，其中荷正电粒子的荷质比（q/m）越高，其被加速的效果越明显。因此，荷正电粒子的荷质比（q/m）越高，其射出冕洞时的速度越高。所以，射出冕洞时，质子的速度应高于重离子的速度。然而，可能由于太阳的重力对粒子的沉析，CMDS_日相邻层间CMDS_日₊^-（+：光球所在层；-：日冕所在层）中的荷正电粒子，其质量越大者越靠近CMDS_日相邻层间CMDS_日₊^-（+：光球所在层；-：日冕所在层）下部或底部。因此，质量越大者被CMDS_日相邻层间电场向外加速的里程越长。所以，荷正电粒子群最终射出冕洞时，重离子（α粒子）的速度可能不低于质子的速度，或者即使重离子的速度与质子的速度有落差，但不很大。再者，经过日地空间中CMDS_日相邻层间CMDS_日_-⁺（-：日冕所在层；+：小行星带所在层）之电场对荷正电粒子的减速，其减速效果与粒子的荷质比正相关，而质子的荷质比高于重离子（α粒子）的荷质比，所以，到达近地空间的重离子（α粒子）的速度高于质子的速度。

结论

1. 太阳风是由从大大小小的冕洞射出的等离子体流与大大小小的CME(日冕物质抛射)所形成的等离子体流组成的混合体。

2. 从冕洞射出的等离子体流源于光球物质抛射与色球物质抛射。

3. 太阳风高速流源于较大冕洞（即日冕较薄弱区），因为那里的等离子体密度较低，由较大冕洞向外射出的粒子流所遇到的阻力较小。

4. 在近地空间，太阳风高速流中重离子（α粒子）的速度高于质子的速度，可能由于质量越大的荷正电粒子在CMDS_日相邻层间CMDS_日₊^-（+：光球所在层；-：日冕所在层）的电场中被加速的里程越长，以及CMDS_日相邻层间CMDS_日_-⁺（-：日冕所在层；+：小行星带所在层）的电场对荷正电粒子的减速，其减速效果与粒子的荷质比正相关。

致谢

本科研项目获得了在特种电源领域技术领先的河北汇能欣源电子技术有限公司的赞助支持。

衷心感谢龚碧平林元璋朱伯靖藏朝峰陈辉李晶张秦生聂荣琪吴曼青陈二平张立军李东范青蓝怡青宁利中高宏孙颉李务伦钱大鹏崔锦华郑永军杨正瓴尤明庆周少祥籍利平王成玉管克英汪强陈昌春孙宝玺张鹰毛善成窦华书李毅伟葛及曾玉亮信忠保阎影刘炜王从彦吕洪波罗春元杜占池史永文谢钢，杨宝华，徐树奎，盛德富，鲍玉琴余关关莫钰华吕和发于迎军姚睿杨靖义崔利平李和森郭怀平卞胜利关绍先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辛勤帮助与指导！