揭开宇宙空间隐形杀手“高能粒子”的面纱——郭静楠

    2022年7月21日，中国科学技术大学地球与空间科学学院郭静楠教授为天元太空探索暑期学校作题为《揭开宇宙空间隐形杀手“高能粒子”的面纱》的报告。

    郭老师的报告主要包括空间高能粒子的危害、来源、太阳风及日球层结构介绍、银河宇宙射线、太阳高能粒子爆发以及月球和火星的辐射环境六个部分。

空间高能粒子的危害

    空间探索过程中有辐射及微重力会对任务产生影响，而辐射所带来的影响是此次报告的重点。宇航员在任务过程中会接收辐射并且在任务结束后仍有长期存在且难以挽回的影响，通过了解粒子与物质作用的损失能量过程，高能粒子会对人体大脑及多种器官造成损伤，带来白内障、白血病甚至癌症的后果。除开对人体的影响，空间高能粒子也会对卫星的电子元件产生损伤。

空间高能粒子的来源

    空间高能粒子主要由不同能量的粒子组成，其来源包含银河宇宙射线、太阳系边缘的中止激波所加速的反常宇宙线、太阳物质爆发的太阳高能粒子、共转相互作用区加速粒子等。研究空间高能粒子，不仅具有航天应用意义，也带来如日球层结构信息、粒子加速机制和输运过程、太阳系外信息等科学上的意义。

太阳风及日球层结构

    太阳的磁场结构可以简化为帕克螺旋的形态，Ulysses的探测结果也揭示了太阳磁场结构随太阳极大极小年的变化性。太阳风具有不同的速度，例如冕洞位置的温度较低，对应开放磁力线，等离子体以较高速度抛出，形成高速的太阳风。快速太阳风会追上慢速太阳风，形成一个快慢太阳风的交错区，形成激波对粒子进行加速。日球层是向外扩张的太阳风所形成的区域，有终止激波、日鞘层、日球层顶、弓激波等结构。

银河宇宙射线

    高能粒子也来源于银河宇宙线，能量达到GeV量级的银河宇宙线可以穿过地球磁场与大气反应，其产物能被地面台站观测到。人类据此可反推银河宇宙线的强度。不过银河宇宙线的观测主要还是通过卫星进行的，太阳活动性及其自转周期均会调制地球附近银河宇宙线的强度，太阳的爆发事件也具有暂时调制的效果。

太阳爆发高能粒子

    太阳出现耀斑等爆发活动时，将产生主要成分是质子和电子的高能粒子，故而空间高能粒子的爆发与太阳活动性也是相关的，它是空间高能粒子主要来源。虽然极端事件发生频率较低，但我们设计卫星时必须考虑太阳活动性这一因素。

月球和火星辐射环境

    这一部分聚焦于月球及火星的辐射环境，由于它们均缺少类似地球磁场的保护，故而表面暴露在空间高能粒子之下。通过多个轨道器及着陆器的探测数据，人类对火星和月球的辐射环境已经建立了全局模型，并处于不断深入探索的过程中。

主讲人介绍

    郭静楠，现任中国科学技术大学地球与空间科学学院教授。于2006年本科毕业于南京大学天文系，2011年博士毕业于中科院紫金山天文台。截止2021年底发表SCI论文70余篇，包括第一/通讯作者的文章30篇。博士期间，前后3年在德国马普太阳物理研究所和英国格拉斯哥大学交流学习。博士毕业后，于2011年到2012年在意大利热那亚大学做博士后，博士和博士后期间主要研究太阳耀斑中高能电子的产生、传播、和产生辐射的过程。自2012年到2019年，在德国基尔大学从事空间辐射以及行星空间环境方面的研究，是NASA好奇号火星车粒子辐射探测器的核心成员；自2016年，加入了嫦娥四号着陆器月球中子和辐射探测器的德方研发团队。自2019年3月起，正式加入了中国科学技术大学地球和空间科学学院，进一步拓展近年来的研究方向，现主要致力于空间粒子辐射和行星空间环境方向研究。