[论文解读] Direct Acceleration of Pickup Ions at The Solar Wind Termination Shock: The Production of Anomalous Cosmic Rays

Matthew G. Baring, Donald C. Ellison+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 1998

Solar and Space Plasma Dynamics参考文献 63被引用 46

一句话总结

本文表明，通过标准的漫射 shock 加速机制，太阳风终止激波可直接将拾取离子加速至异常宇宙射线（ACR）能量，而无需预加速阶段。通过一种自洽地模拟注入、散射和激波特性的非线性蒙特卡洛模拟，作者发现当平行平均自由程约为回旋半径的5–10倍时，可准确匹配观测到的H+通量，且He+/H+与O+/H+通量比值的模拟结果与观测值相差约5倍以内，支持在倾斜激波处直接注入的可行性。

ABSTRACT

We have modeled the injection and acceleration of pickup ions at the solar wind termination shock and investigated the parameters needed to produce the observed Anomalous Cosmic Ray (ACR) fluxes. A non-linear Monte Carlo technique was employed, which in effect solves the Boltzmann equation and is not restricted to near-isotropic particle distribution functions. This technique models the injection of thermal and pickup ions, the acceleration of these ions, and the determination of the shock structure under the influence of the accelerated ions. The essential effects of injection are treated in a mostly self-consistent manner, including effects from shock obliquity, cross- field diffusion, and pitch-angle scattering. Using recent determinations of pickup ion densities, we are able to match the absolute flux of hydrogen in the ACRs by assuming that pickup ion scattering mean free paths, at the termination shock, are much less than an AU and that modestly strong cross-field diffusion occurs. Simultaneously, we match the flux ratios He(+)/H(+) or O(+)/H(+) to within a factor approx. 5. If the conditions of strong scattering apply, no pre-termination-shock injection phase is required and the injection and acceleration of pickup ions at the termination shock is totally analogous to the injection and acceleration of ions at highly oblique interplanetary shocks recently observed by the Ulysses spacecraft. The fact that ACR fluxes can be modeled with standard shock assumptions suggests that the much-discussed "injection problem" for highly oblique shocks stems from incomplete (either mathematical or computer) modeling of these shocks rather than from any actual difficulty shocks may have in injecting and accelerating thermal or quasi-thermal particles.

研究动机与目标

• 解决高度倾斜的太阳风终止激波处拾取离子长期存在的‘注入难题’。
• 确定标准漫射激波加速是否可在无需预加速阶段的情况下产生观测到的ACR通量。
• 评估散射、激波特性和跨场扩散在实现高效注入与加速中的作用。
• 利用真实的输入拾取离子密度和微观物理参数，匹配绝对ACR质子通量及通量比（He+/H+，O+/H+）。
• 检验是否可通过自洽地模拟激波特性和粒子动力学，在不引入奇异机制的前提下重现观测到的ACR能谱。

提出的方法

• 采用非线性蒙特卡洛方法求解粒子输运的玻尔兹曼方程，以处理非各向同性的粒子分布。
• 模型自洽地包含加速离子引起的激波特性的修改、注入效率以及粒子方位角散射。
• 通过调节平行平均自由程（λ∥）和跨场扩散系数（κ⊥/κ∥）以匹配观测通量，发现λ∥ ∼ 5–10 rg为最优值。
• 输入的拾取离子相空间分布基于Vasyliunas & Siscoe（1976）的模型，并按Voyager/Cummings & Stone（1996）的通量进行归一化。
• 改变激波特性和马赫数以探索参数空间并评估注入效率。
• 在强散射条件下对模型进行测试，以评估是否需要预注入阶段。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准漫射激波加速是否可在高度倾斜的终止激波处直接注入并加速拾取离子，以产生观测到的ACR通量？
• RQ2 为匹配ACR中观测到的H+通量，需要何种散射条件（平均自由程、跨场扩散）？
• RQ3 为何观测到的He+/H+与O+/H+通量比高于标准模型的预测值？
• RQ4 拾取离子在终止激波处注入是否需要预加速阶段，还是直接注入已足够？
• RQ5 激波特性和马赫数如何影响注入效率以及加速过程中的A/Q增强？

主要发现

• 当平行方向散射平均自由程约为离子回旋半径的5–10倍（λ∥ ∼ 5–10 rg）时，ACR中观测到的H+通量可被成功重现。
• He+/H+与O+/H+的通量比值在约5倍以内与观测值一致，表明尽管对A/Q增强的预测存在一定程度的低估，但仍具合理一致性。
• 若散射较强（λ∥ ≪ 1 AU），则无需预加速阶段，标准激波特性的直接注入已足够。
• 模型表明，加速过程中的A/Q增强是真实存在的，且随马赫数降低而增强，但其数值仍低于Cummings & Stone（1996）所推断的值。
• 当ΘBn < 90°的区域在不降低散射效率的情况下，对ACR产生的贡献较小，这与部分解析和混合模拟结果相矛盾。
• 结果表明，倾斜激波处‘注入难题’的根源在于建模不完整，而非注入本身存在根本性的物理障碍。