基于LHAASO實(shí)驗(yàn)：宇宙線(xiàn)日影對(duì)太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的深度解析一、引言1.1研究背景與意義太陽(yáng)，作為太陽(yáng)系的核心天體，其一舉一動(dòng)都深刻影響著整個(gè)太陽(yáng)系的動(dòng)態(tài)平衡。太陽(yáng)磁場(chǎng)是太陽(yáng)活動(dòng)的重要驅(qū)動(dòng)力，它不僅主導(dǎo)著太陽(yáng)黑子、耀斑、日冕物質(zhì)拋射等劇烈活動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展，還通過(guò)太陽(yáng)風(fēng)將其影響延伸至整個(gè)日地空間。太陽(yáng)黑子是太陽(yáng)表面磁場(chǎng)聚集的區(qū)域，其數(shù)量的周期性變化（約11年的施瓦貝周期）反映了太陽(yáng)磁場(chǎng)的周期性演化，而耀斑則是太陽(yáng)磁場(chǎng)能量突然釋放的表現(xiàn)，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放出巨大的能量，包括高能粒子和強(qiáng)烈的電磁輻射。日冕物質(zhì)拋射則是太陽(yáng)向行星際空間拋射出的大量等離子體和磁場(chǎng)，這些活動(dòng)對(duì)地球的空間環(huán)境產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。日地空間磁場(chǎng)，作為連接太陽(yáng)和地球的重要紐帶，是太陽(yáng)磁場(chǎng)在行星際空間的延伸。它的結(jié)構(gòu)和變化受到太陽(yáng)活動(dòng)以及行星際介質(zhì)的共同作用，呈現(xiàn)出復(fù)雜的時(shí)空演變特征。在太陽(yáng)風(fēng)的吹拂下，日地空間磁場(chǎng)形成了行星際磁場(chǎng)（IMF），其磁力線(xiàn)呈現(xiàn)出螺旋狀結(jié)構(gòu)，這是由于太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)以及太陽(yáng)風(fēng)的徑向流動(dòng)共同作用的結(jié)果。行星際磁場(chǎng)的強(qiáng)度、方向和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，不僅會(huì)引發(fā)地球磁層的強(qiáng)烈響應(yīng)，如地磁暴、磁層亞暴等現(xiàn)象，還會(huì)對(duì)地球的電離層和高層大氣產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而干擾衛(wèi)星通信、導(dǎo)航系統(tǒng)以及地面電力傳輸?shù)痊F(xiàn)代技術(shù)設(shè)施的正常運(yùn)行。地磁暴期間，地球磁場(chǎng)的劇烈變化會(huì)在輸電線(xiàn)路中感應(yīng)出強(qiáng)大的電流，可能導(dǎo)致變壓器燒毀，影響電力供應(yīng)；而電離層的擾動(dòng)則會(huì)使衛(wèi)星通信信號(hào)中斷，導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度下降。對(duì)太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的深入研究，在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域具有不可替代的重要意義。從太陽(yáng)物理學(xué)角度來(lái)看，它有助于我們更深入地理解太陽(yáng)內(nèi)部的物理過(guò)程，如太陽(yáng)磁場(chǎng)的起源、發(fā)電機(jī)機(jī)制以及太陽(yáng)活動(dòng)的觸發(fā)和演化規(guī)律。太陽(yáng)內(nèi)部的對(duì)流運(yùn)動(dòng)與磁場(chǎng)相互作用，形成了復(fù)雜的發(fā)電機(jī)機(jī)制，維持著太陽(yáng)磁場(chǎng)的存在和演化，研究這一過(guò)程可以幫助我們揭示恒星磁場(chǎng)的普遍形成和演化規(guī)律。從空間物理學(xué)角度而言，探究日地空間磁場(chǎng)的特性和變化規(guī)律，能夠深化我們對(duì)太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層相互作用、行星際空間等離子體物理等方面的認(rèn)識(shí)。太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層的相互作用，會(huì)在地球磁層中產(chǎn)生各種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如磁重聯(lián)、粒子加速等，這些過(guò)程對(duì)于理解宇宙中的能量轉(zhuǎn)換和粒子加速機(jī)制具有重要意義。在應(yīng)用層面，準(zhǔn)確掌握太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的變化規(guī)律，對(duì)空間天氣預(yù)報(bào)起著決定性的作用。隨著人類(lèi)對(duì)太空探索和應(yīng)用的日益深入，衛(wèi)星、空間站等空間設(shè)施在通信、氣象監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航定位等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，太陽(yáng)活動(dòng)引發(fā)的空間天氣變化，如高能粒子輻射增強(qiáng)、地磁暴等，會(huì)對(duì)這些空間設(shè)施造成嚴(yán)重威脅，甚至導(dǎo)致其故障或損壞。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的研究，我們能夠提前預(yù)測(cè)空間天氣的變化，為衛(wèi)星等空間設(shè)施采取有效的防護(hù)措施提供依據(jù)，保障其安全穩(wěn)定運(yùn)行。在通信領(lǐng)域，提前知曉電離層的擾動(dòng)情況，可以調(diào)整通信頻率和信號(hào)強(qiáng)度，避免通信中斷；在導(dǎo)航系統(tǒng)中，能夠根據(jù)空間天氣預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)衛(wèi)星軌道進(jìn)行修正，提高導(dǎo)航精度。高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站（LHAASO，“拉索”）作為國(guó)際領(lǐng)先的宇宙線(xiàn)探測(cè)裝置，為太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的研究開(kāi)辟了全新的途徑。LHAASO憑借其獨(dú)特的地理位置（位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山）和卓越的探測(cè)性能，具備了超高的靈敏度和大視場(chǎng)觀測(cè)能力，能夠精確測(cè)量來(lái)自宇宙的高能粒子，包括銀河宇宙線(xiàn)和太陽(yáng)宇宙線(xiàn)。銀河宇宙線(xiàn)主要由帶正電的高能粒子組成，它們以接近光速的速度從四面八方撞擊地球，而太陽(yáng)在其中就像一把巨大的“傘”，會(huì)遮擋部分高能粒子，在地球上形成太陽(yáng)的宇宙線(xiàn)陰影，即“日影”。宇宙線(xiàn)從太陽(yáng)傳播到地球只需短短8分鐘，在這一過(guò)程中，它們會(huì)受到日地空間不同位置磁場(chǎng)的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，日影位置的移動(dòng)則可以精確示蹤宇宙線(xiàn)的偏轉(zhuǎn)情況。因此，宇宙線(xiàn)就如同一個(gè)天然的探針，能夠幫助我們“診脈”日地空間磁場(chǎng)強(qiáng)度及其變化。此前的宇宙線(xiàn)探測(cè)陣列雖然也能觀測(cè)日影，但由于靈敏度的限制，無(wú)法利用當(dāng)日數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)日影的精確測(cè)量。而LHAASO實(shí)驗(yàn)以其超群的靈敏度，首次成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)銀河宇宙線(xiàn)日影的當(dāng)天及時(shí)高顯著性觀測(cè)。研究人員通過(guò)分析每天日影位置的移動(dòng)信息，成功測(cè)量到了特定時(shí)間段內(nèi)每天行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度及其變化，并且該測(cè)量結(jié)果領(lǐng)先地球附近航天器約3.3天。這一開(kāi)創(chuàng)性的成果，不僅為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)行星際磁場(chǎng)及其變化提供了全新的手段，有效彌補(bǔ)了在日地間大范圍內(nèi)測(cè)定行星際磁場(chǎng)的短板，還為空間環(huán)境研究打開(kāi)了一扇嶄新的窗口，為深入了解日地空間磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律提供了重要的數(shù)據(jù)支持。利用LHAASO實(shí)驗(yàn)的宇宙線(xiàn)日影研究太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)，既有助于我們深入探究太陽(yáng)和日地空間磁場(chǎng)的物理本質(zhì)，推動(dòng)空間科學(xué)的前沿發(fā)展，又能為空間天氣預(yù)報(bào)提供關(guān)鍵的技術(shù)支撐，保障人類(lèi)在太空活動(dòng)中的安全和利益，具有重大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀對(duì)太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的研究由來(lái)已久，眾多科研團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域展開(kāi)了深入探索，并取得了一系列成果。在太陽(yáng)磁場(chǎng)研究方面，國(guó)外的研究起步較早，利用地基和天基太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，如美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)（SDO）搭載的大氣成像組件（AIA）和日震與磁成像儀（HMI），通過(guò)高分辨率的觀測(cè)，對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和演化進(jìn)行了詳細(xì)研究。SDO的HMI能夠精確測(cè)量太陽(yáng)表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，獲取太陽(yáng)黑子、活動(dòng)區(qū)等區(qū)域的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，揭示了太陽(yáng)磁場(chǎng)在太陽(yáng)活動(dòng)周期中的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)磁場(chǎng)在太陽(yáng)黑子區(qū)域的強(qiáng)度可達(dá)數(shù)千高斯，且在太陽(yáng)活動(dòng)極大期，太陽(yáng)黑子數(shù)量增多，磁場(chǎng)活動(dòng)更為劇烈。國(guó)內(nèi)也在積極開(kāi)展太陽(yáng)磁場(chǎng)研究，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的懷柔太陽(yáng)觀測(cè)基地，擁有多臺(tái)先進(jìn)的太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，在太陽(yáng)磁場(chǎng)與太陽(yáng)活動(dòng)的相關(guān)性研究方面取得了一定成果。研究人員通過(guò)分析太陽(yáng)耀斑爆發(fā)前后太陽(yáng)磁場(chǎng)的變化，發(fā)現(xiàn)耀斑爆發(fā)前，太陽(yáng)磁場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)劇烈的剪切和扭曲，當(dāng)磁場(chǎng)能量積累到一定程度時(shí)，就會(huì)觸發(fā)耀斑爆發(fā)，釋放出巨大的能量。在日地空間磁場(chǎng)研究方面，國(guó)外主要依靠航天器進(jìn)行原位探測(cè)，如美國(guó)的“旅行者”號(hào)探測(cè)器、“風(fēng)”號(hào)衛(wèi)星以及歐洲空間局的“Cluster”衛(wèi)星群等?！奥眯姓摺碧?hào)探測(cè)器在飛出太陽(yáng)系的過(guò)程中，對(duì)行星際磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和變化進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，揭示了行星際磁場(chǎng)在遠(yuǎn)離太陽(yáng)過(guò)程中的演化規(guī)律。“Cluster”衛(wèi)星群則通過(guò)四顆衛(wèi)星的聯(lián)合觀測(cè)，對(duì)地球磁層邊界層的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和等離子體特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)了磁層邊界層中存在著復(fù)雜的磁場(chǎng)重聯(lián)和粒子加速現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)則通過(guò)與國(guó)際合作以及自主研發(fā)衛(wèi)星等方式參與研究，如“夸父計(jì)劃”旨在對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)、行星際擾動(dòng)傳播和地球空間響應(yīng)進(jìn)行立體綜合監(jiān)測(cè)，雖因技術(shù)等原因部分任務(wù)未按原計(jì)劃實(shí)施，但在相關(guān)預(yù)研和技術(shù)儲(chǔ)備方面取得了一定進(jìn)展。此外，我國(guó)發(fā)射的“悟空”號(hào)暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星，雖然其主要任務(wù)是探測(cè)暗物質(zhì)，但在運(yùn)行過(guò)程中也獲取了一些宇宙線(xiàn)和日地空間環(huán)境的數(shù)據(jù)，為日地空間磁場(chǎng)研究提供了一定的參考。利用宇宙線(xiàn)日影研究太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)是一個(gè)相對(duì)較新的研究方向。此前，一些宇宙線(xiàn)探測(cè)陣列雖能觀測(cè)日影，但受限于靈敏度，難以利用當(dāng)日數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)日影的精確測(cè)量。例如，傳統(tǒng)的地面宇宙線(xiàn)探測(cè)陣列由于探測(cè)器的布局和探測(cè)精度限制，對(duì)宇宙線(xiàn)日影的觀測(cè)精度較低，無(wú)法準(zhǔn)確捕捉日影位置的微小變化。而LHAASO實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)，憑借其超高的靈敏度，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)銀河宇宙線(xiàn)日影的當(dāng)天及時(shí)高顯著性觀測(cè)，研究人員借助每天日影位置移動(dòng)信息，成功測(cè)量到了特定時(shí)間段內(nèi)每天行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度及其變化，該測(cè)量領(lǐng)先地球附近航天器約3.3天，為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)行星際磁場(chǎng)及其變化提供了全新的手段，彌補(bǔ)了在日地間大范圍內(nèi)測(cè)定行星際磁場(chǎng)的短板。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)研究方面取得了不少成果，但仍存在一些不足?，F(xiàn)有觀測(cè)手段在空間分辨率和時(shí)間分辨率上難以同時(shí)滿(mǎn)足高精度研究的需求。無(wú)論是太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)的觀測(cè)，還是航天器對(duì)日地空間磁場(chǎng)的探測(cè)，都存在一定的局限性。部分探測(cè)器的觀測(cè)范圍有限，無(wú)法全面覆蓋日地空間的各個(gè)區(qū)域；而一些觀測(cè)設(shè)備的時(shí)間分辨率較低，難以捕捉到磁場(chǎng)快速變化的細(xì)節(jié)。對(duì)于太陽(yáng)磁場(chǎng)的起源和發(fā)電機(jī)機(jī)制，以及日地空間磁場(chǎng)復(fù)雜的相互作用過(guò)程，目前的理論模型還不夠完善，無(wú)法準(zhǔn)確解釋一些觀測(cè)現(xiàn)象，如太陽(yáng)活動(dòng)中的某些突發(fā)變化，以及日地空間磁場(chǎng)在特定條件下的異常演化等。1.3研究目標(biāo)與方法本研究旨在借助LHAASO實(shí)驗(yàn)的高精度數(shù)據(jù)，深入探究太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的復(fù)雜特性和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為太陽(yáng)物理學(xué)和空間物理學(xué)的發(fā)展提供新的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。具體研究目標(biāo)如下：精確測(cè)量太陽(yáng)磁場(chǎng)參數(shù)：通過(guò)分析LHAASO實(shí)驗(yàn)捕獲的宇宙線(xiàn)日影數(shù)據(jù)，精確測(cè)量太陽(yáng)表面磁場(chǎng)的強(qiáng)度、方向和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及它們?cè)谔?yáng)活動(dòng)周期中的變化規(guī)律。例如，確定太陽(yáng)黑子區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度的精確數(shù)值，以及磁場(chǎng)方向在太陽(yáng)活動(dòng)極大期和極小期的變化情況。深入研究日地空間磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)與演化：利用宇宙線(xiàn)作為天然探針，詳細(xì)研究日地空間磁場(chǎng)的三維結(jié)構(gòu)，包括行星際磁場(chǎng)的螺旋結(jié)構(gòu)特征，以及其在太陽(yáng)風(fēng)作用下的演化過(guò)程。分析不同太陽(yáng)活動(dòng)狀態(tài)下，日地空間磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化，如日冕物質(zhì)拋射期間行星際磁場(chǎng)的擾動(dòng)情況。揭示太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)相互作用機(jī)制：探究太陽(yáng)磁場(chǎng)與日地空間磁場(chǎng)之間的能量傳輸和相互作用過(guò)程，揭示太陽(yáng)活動(dòng)如何通過(guò)磁場(chǎng)影響日地空間環(huán)境，以及日地空間磁場(chǎng)的變化對(duì)地球磁層的響應(yīng)機(jī)制。例如，研究太陽(yáng)耀斑爆發(fā)時(shí)，太陽(yáng)磁場(chǎng)能量如何快速傳輸?shù)饺盏乜臻g，引發(fā)地球磁暴的具體過(guò)程。建立太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)模型：基于LHAASO實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，建立更加完善的太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)模型，提高對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)和空間天氣的預(yù)測(cè)能力。模型將考慮太陽(yáng)磁場(chǎng)的發(fā)電機(jī)機(jī)制、日地空間磁場(chǎng)的傳播特性以及它們與太陽(yáng)風(fēng)、地球磁層的相互作用等因素。為實(shí)現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究將采用以下研究方法：數(shù)據(jù)分析方法：運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，對(duì)LHAASO實(shí)驗(yàn)獲取的海量宇宙線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、降噪和特征提取。通過(guò)建立合適的數(shù)學(xué)模型，從宇宙線(xiàn)日影的變化中精確反演太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的參數(shù)。例如，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)宇宙線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)和模式識(shí)別，提高日影位置和磁場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量精度。理論建模方法：結(jié)合太陽(yáng)物理學(xué)、空間物理學(xué)的基本理論，建立太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的理論模型。模型將考慮磁場(chǎng)的產(chǎn)生、演化、傳輸以及與等離子體的相互作用等過(guò)程，通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)驗(yàn)證和完善理論模型。例如，運(yùn)用磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）模型模擬太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層的相互作用，研究磁場(chǎng)在這一過(guò)程中的變化。多源數(shù)據(jù)融合方法：綜合LHAASO實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與其他觀測(cè)手段獲取的數(shù)據(jù)，如太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)、航天器對(duì)日地空間磁場(chǎng)的原位探測(cè)數(shù)據(jù)等，進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合分析。通過(guò)不同數(shù)據(jù)之間的相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，提高研究結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。例如，將LHAASO測(cè)量的行星際磁場(chǎng)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星原位探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。二、LHAASO實(shí)驗(yàn)及宇宙線(xiàn)日影原理2.1LHAASO實(shí)驗(yàn)概述高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站（LHAASO，“拉索”）的建設(shè)源于對(duì)宇宙線(xiàn)起源這一“世紀(jì)之謎”的探索追求。宇宙線(xiàn)作為太陽(yáng)系以外唯一的物質(zhì)樣本，自1912年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，相關(guān)研究雖已產(chǎn)生多枚諾貝爾獎(jiǎng)牌，但其起源仍未被揭示，成為21世紀(jì)自然科學(xué)面臨的基本問(wèn)題之一。在國(guó)際上，歐美和中、日的伽馬天文學(xué)實(shí)驗(yàn)、美國(guó)的南極中微子實(shí)驗(yàn)以及多國(guó)合作的巨型極高能宇宙線(xiàn)實(shí)驗(yàn)組成了探索宇宙線(xiàn)起源的三大支柱性研究分支。其中，伽馬天文學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展較為成熟，已發(fā)現(xiàn)180多個(gè)源天體，蘊(yùn)含著突破的重大機(jī)遇，但該領(lǐng)域國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)激烈，美國(guó)和歐洲都在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)升級(jí)換代。在此背景下，中國(guó)提出建設(shè)LHAASO的計(jì)劃，正式參與到這場(chǎng)全球科學(xué)發(fā)現(xiàn)的比拼中。LHAASO位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，這里擁有得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢(shì)。高海拔使得大氣層對(duì)宇宙線(xiàn)粒子的吸收效應(yīng)減小，能讓探測(cè)器捕捉到更多的宇宙線(xiàn)粒子信號(hào)，提高探測(cè)靈敏度。同時(shí)，海子山地勢(shì)平坦，為大規(guī)模探測(cè)器陣列的建設(shè)提供了良好的地形條件，且當(dāng)?shù)負(fù)碛谐渥愕乃Y源，滿(mǎn)足了實(shí)驗(yàn)中對(duì)大量超純凈水的需求，這對(duì)于水切倫科夫探測(cè)器的運(yùn)行至關(guān)重要。LHAASO占地面積約1.36平方公里，規(guī)模宏大，由三大探測(cè)器陣列構(gòu)成，采用了四種先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)宇宙線(xiàn)全方位、多變量的精確測(cè)量。1平方公里地面簇射粒子探測(cè)器陣列（KM2A）由5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器組成。電磁粒子探測(cè)器按邊長(zhǎng)15米的正三角形點(diǎn)陣分布，能夠靈敏地探測(cè)到宇宙線(xiàn)粒子引發(fā)的電磁簇射信號(hào)，精確測(cè)量電磁粒子的數(shù)量、能量和到達(dá)方向等信息?？娮犹綔y(cè)器則每隔30米分布在點(diǎn)陣中，其外觀呈高2.5米的“土堆”狀，主要用于探測(cè)繆子，通過(guò)對(duì)繆子的測(cè)量，可以獲取宇宙線(xiàn)粒子的種類(lèi)、能量等關(guān)鍵信息，并且能夠區(qū)分宇宙線(xiàn)中的強(qiáng)子和伽馬射線(xiàn)，為研究宇宙線(xiàn)的成分和起源提供重要依據(jù)。7.8萬(wàn)平方米的水切倫科夫探測(cè)器陣列（WCDA）是LHAASO的重要組成部分。該陣列由深4.5米的密閉水池構(gòu)成，水底布滿(mǎn)擁有3000多路探測(cè)單元的水切倫科夫探測(cè)器。當(dāng)宇宙線(xiàn)粒子進(jìn)入水中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生切倫科夫光，探測(cè)器通過(guò)捕捉這些光信號(hào)，來(lái)測(cè)量宇宙線(xiàn)粒子的能量和方向。水切倫科夫探測(cè)器對(duì)低能宇宙線(xiàn)粒子具有較高的探測(cè)效率，能夠彌補(bǔ)其他探測(cè)器在低能段的不足，為研究宇宙線(xiàn)能譜的低能部分提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的望遠(yuǎn)鏡陣列（WFCTA），如同一個(gè)個(gè)敏銳的“守望者”，相互配合著完成360度無(wú)死角守望。這些望遠(yuǎn)鏡能夠記錄宇宙線(xiàn)到達(dá)地面前在空中發(fā)展的全過(guò)程，通過(guò)觀測(cè)宇宙線(xiàn)在大氣中產(chǎn)生的切倫科夫光的圖像和光強(qiáng)分布，獲取宇宙線(xiàn)的方向、能量和粒子種類(lèi)等信息。廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡具有大視場(chǎng)的特點(diǎn)，能夠快速掃描大片天空，發(fā)現(xiàn)更多的宇宙線(xiàn)源和瞬變天體，為宇宙線(xiàn)的巡天觀測(cè)提供了有力手段。這三大探測(cè)器陣列分工明確又相互印證補(bǔ)充。望遠(yuǎn)鏡陣列記錄宇宙線(xiàn)在空中的發(fā)展過(guò)程，為研究宇宙線(xiàn)的傳播和相互作用提供信息；而地面簇射粒子探測(cè)器陣列和水切倫科夫探測(cè)器陣列則捕捉宇宙線(xiàn)到達(dá)地面時(shí)的瞬間信息，從不同角度測(cè)量宇宙線(xiàn)的各種參數(shù)。這種高度復(fù)合型且能夠覆蓋多能段的探測(cè)陣列在全世界都極為少見(jiàn)，使得LHAASO在宇宙線(xiàn)探測(cè)領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在技術(shù)創(chuàng)新方面，LHAASO取得了多項(xiàng)重大突破。首次在大視場(chǎng)成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡中大規(guī)模使用新型硅光電管，改變了這類(lèi)望遠(yuǎn)鏡不能在月夜工作的傳統(tǒng)觀測(cè)模式，實(shí)現(xiàn)了有效觀測(cè)時(shí)間的成倍增長(zhǎng)。這使得LHAASO能夠在更多的時(shí)間里對(duì)宇宙進(jìn)行觀測(cè)，獲取更豐富的數(shù)據(jù)，提高了對(duì)宇宙線(xiàn)源和瞬變天體的監(jiān)測(cè)能力。發(fā)展適應(yīng)4000米以上高海拔野外工況的大面積、多節(jié)點(diǎn)、高精度時(shí)鐘同步技術(shù)，遠(yuǎn)距離同步精度提升到0.2納秒，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。高精度的時(shí)鐘同步技術(shù)對(duì)于確保各個(gè)探測(cè)器之間的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)至關(guān)重要，能夠提高宇宙線(xiàn)事件的重建精度，為研究宇宙線(xiàn)的特性和起源提供更可靠的數(shù)據(jù)。采用中國(guó)國(guó)產(chǎn)20英寸超大型光電倍增管，并將時(shí)間響應(yīng)提高了3倍，把觀測(cè)閾能從3000億電子伏降低到700億電子伏，大大擴(kuò)展了觀測(cè)能力。這使得LHAASO能夠探測(cè)到更低能量的宇宙線(xiàn)粒子，拓寬了研究宇宙線(xiàn)能譜的范圍，有助于深入了解宇宙線(xiàn)的加速和傳播機(jī)制。在海量數(shù)據(jù)獲取技術(shù)上取得顯著進(jìn)步，發(fā)展并實(shí)現(xiàn)“無(wú)觸發(fā)”數(shù)據(jù)獲取，采用特殊的數(shù)據(jù)篩選技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)損壓縮，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。這些技術(shù)創(chuàng)新使得LHAASO能夠應(yīng)對(duì)宇宙線(xiàn)探測(cè)中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的高效獲取、處理和傳輸，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和科學(xué)研究提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。憑借這些先進(jìn)的技術(shù)和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，LHAASO在宇宙線(xiàn)探測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的性能，創(chuàng)造出三項(xiàng)“世界之最”：它是世界上最靈敏的超高能伽馬射線(xiàn)探測(cè)裝置，能夠探測(cè)到極其微弱的超高能伽馬射線(xiàn)信號(hào)，看到更多的可能性，開(kāi)展最精細(xì)的研究；是世界上靈敏度最高的甚高能伽馬射線(xiàn)源巡天普查望遠(yuǎn)鏡，可對(duì)宇宙進(jìn)行全面“普查”，發(fā)現(xiàn)更多的伽馬射線(xiàn)源，為研究宇宙線(xiàn)的起源和高能天體的活動(dòng)提供豐富的樣本；還是能量覆蓋范圍最寬的超高能宇宙線(xiàn)復(fù)合式立體測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)Φ竭_(dá)地球的宇宙線(xiàn)及粒子進(jìn)行精細(xì)區(qū)分，并測(cè)量其寬廣的能譜，從而對(duì)宇宙線(xiàn)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行全面而深入的研究。2.2宇宙線(xiàn)日影的形成機(jī)制銀河宇宙線(xiàn)作為來(lái)自銀河系的高能粒子流，其起源和加速機(jī)制一直是天體物理學(xué)研究的核心問(wèn)題之一。目前普遍認(rèn)為，銀河宇宙線(xiàn)主要來(lái)源于超新星爆發(fā)、恒星形成區(qū)、脈沖星風(fēng)云等天體物理過(guò)程。超新星爆發(fā)時(shí)，恒星核心坍縮或爆炸釋放出巨大的能量，這些能量能夠?qū)⒘Ｗ蛹铀俚綐O高的能量狀態(tài)，從而產(chǎn)生銀河宇宙線(xiàn)。在恒星形成區(qū)，新生恒星周?chē)膹?qiáng)烈恒星風(fēng)以及物質(zhì)的吸積過(guò)程也會(huì)加速粒子，形成宇宙線(xiàn)。脈沖星風(fēng)云則是高速旋轉(zhuǎn)的脈沖星產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)和相對(duì)論性粒子流相互作用的結(jié)果，也是銀河宇宙線(xiàn)的重要來(lái)源之一。銀河宇宙線(xiàn)的主要核成分是氫和氦，其中動(dòng)能在2.4×10^9電子伏以上的粒子中，氫約占94%，氦約占5.5%，其他元素僅占0.5%。這種成分比例常被稱(chēng)為宇宙線(xiàn)元素豐度，與太陽(yáng)的化學(xué)組成具有很高的相似性。然而，輕元素（如鋰Li、鈹Be、硼B(yǎng)）以及化學(xué)元素周期表中在鐵Fe以前的元素豐度在銀河宇宙線(xiàn)中卻特別高，這是由于銀河宇宙線(xiàn)中的碳C、氮N、氧O和鐵Fe等元素與星際氣體相互作用，發(fā)生核反應(yīng)的結(jié)果。銀河宇宙線(xiàn)在銀河系內(nèi)的分布并非均勻，其強(qiáng)度變化與太陽(yáng)活動(dòng)密切相關(guān)。從長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)看，銀河宇宙線(xiàn)強(qiáng)度呈現(xiàn)出約5年和11年左右的周期變化，這與太陽(yáng)活動(dòng)的周期幾乎是反相的。在太陽(yáng)活動(dòng)高年，太陽(yáng)風(fēng)增強(qiáng)，其攜帶的磁場(chǎng)也更為強(qiáng)烈，這會(huì)對(duì)銀河宇宙線(xiàn)產(chǎn)生調(diào)制作用，使得銀河宇宙線(xiàn)的強(qiáng)度降低；而在太陽(yáng)活動(dòng)低年，太陽(yáng)風(fēng)相對(duì)較弱，對(duì)銀河宇宙線(xiàn)的調(diào)制作用減小，銀河宇宙線(xiàn)的強(qiáng)度則會(huì)升高。當(dāng)銀河宇宙線(xiàn)以接近光速的速度向地球傳播時(shí)，太陽(yáng)就像一個(gè)巨大的障礙物。由于太陽(yáng)自身的遮擋作用，會(huì)在地球上形成一個(gè)宇宙線(xiàn)相對(duì)較弱的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域就被稱(chēng)為宇宙線(xiàn)日影。具體來(lái)說(shuō)，假設(shè)宇宙線(xiàn)是均勻地從四面八方射向地球的，在沒(méi)有太陽(yáng)遮擋的情況下，地球上各個(gè)方向接收到的宇宙線(xiàn)強(qiáng)度應(yīng)該是相對(duì)均勻的。然而，當(dāng)太陽(yáng)位于地球和宇宙線(xiàn)源之間時(shí)，太陽(yáng)會(huì)阻擋一部分宇宙線(xiàn)，使得在太陽(yáng)方向以及其周?chē)欢ń嵌确秶鷥?nèi)，到達(dá)地球的宇宙線(xiàn)數(shù)量明顯減少，從而形成一個(gè)陰影區(qū)域。在宇宙線(xiàn)從太陽(yáng)傳播到地球的短短8分鐘時(shí)間里，它們會(huì)受到日地空間復(fù)雜磁場(chǎng)的強(qiáng)烈影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。日地空間磁場(chǎng)主要包括行星際磁場(chǎng)（IMF）和地球磁場(chǎng)等。行星際磁場(chǎng)是太陽(yáng)磁場(chǎng)在行星際空間的延伸，其磁力線(xiàn)呈現(xiàn)出螺旋狀結(jié)構(gòu)，這是由于太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)以及太陽(yáng)風(fēng)的徑向流動(dòng)共同作用的結(jié)果。當(dāng)宇宙線(xiàn)粒子進(jìn)入行星際磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，它們會(huì)受到洛倫茲力的作用。根據(jù)洛倫茲力公式F=qvBsin\theta（其中F為洛倫茲力，q為粒子電荷量，v為粒子速度，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度，\theta為粒子速度與磁場(chǎng)方向的夾角），宇宙線(xiàn)粒子會(huì)在磁場(chǎng)中做螺旋運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生彎曲。地球磁場(chǎng)也會(huì)對(duì)宇宙線(xiàn)產(chǎn)生重要影響。地球磁場(chǎng)類(lèi)似于一個(gè)巨大的磁偶極子，其磁力線(xiàn)從地球的南極出發(fā)，環(huán)繞地球后回到北極。當(dāng)宇宙線(xiàn)粒子接近地球時(shí)，它們會(huì)受到地球磁場(chǎng)的作用而發(fā)生進(jìn)一步的偏轉(zhuǎn)。對(duì)于高能宇宙線(xiàn)粒子，它們具有較高的能量和動(dòng)量，受到磁場(chǎng)的影響相對(duì)較小，能夠較為直接地穿過(guò)地球磁場(chǎng)進(jìn)入地球大氣層；而對(duì)于低能宇宙線(xiàn)粒子，由于其能量和動(dòng)量較低，更容易受到地球磁場(chǎng)的束縛和偏轉(zhuǎn)，甚至可能被地球磁場(chǎng)捕獲，無(wú)法到達(dá)地球表面。宇宙線(xiàn)日影的位置和形狀并非固定不變，而是會(huì)隨著太陽(yáng)活動(dòng)、日地空間磁場(chǎng)的變化以及宇宙線(xiàn)自身的特性而發(fā)生改變。當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)，太陽(yáng)磁場(chǎng)的變化會(huì)導(dǎo)致行星際磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度發(fā)生改變，進(jìn)而影響宇宙線(xiàn)在日地空間的傳播路徑，使得日影的位置發(fā)生移動(dòng)。日地空間中其他天體的磁場(chǎng)以及太陽(yáng)風(fēng)的動(dòng)態(tài)變化也會(huì)對(duì)宇宙線(xiàn)日影產(chǎn)生影響。不同能量和電荷的宇宙線(xiàn)粒子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)程度不同，這也會(huì)導(dǎo)致日影的形狀和大小發(fā)生變化。對(duì)于高能宇宙線(xiàn)粒子，其在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)較小，日影的范圍相對(duì)較小且位置相對(duì)穩(wěn)定；而對(duì)于低能宇宙線(xiàn)粒子，由于其偏轉(zhuǎn)較大，日影的范圍會(huì)相對(duì)較大且位置變化較為明顯。2.3LHAASO對(duì)宇宙線(xiàn)日影的觀測(cè)優(yōu)勢(shì)在宇宙線(xiàn)日影的觀測(cè)領(lǐng)域，LHAASO相較于其他觀測(cè)設(shè)備，展現(xiàn)出了多方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)使得LHAASO在利用宇宙線(xiàn)日影研究太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的過(guò)程中具有不可替代的作用。從靈敏度方面來(lái)看，LHAASO堪稱(chēng)卓越。傳統(tǒng)的宇宙線(xiàn)探測(cè)陣列受限于探測(cè)器的布局和性能，對(duì)宇宙線(xiàn)的探測(cè)靈敏度較低，難以捕捉到宇宙線(xiàn)日影的微弱信號(hào)。例如，一些早期的宇宙線(xiàn)探測(cè)裝置，由于探測(cè)器的數(shù)量有限且分布不夠合理，對(duì)于低強(qiáng)度的宇宙線(xiàn)信號(hào)響應(yīng)不靈敏，導(dǎo)致在觀測(cè)宇宙線(xiàn)日影時(shí)，常常無(wú)法準(zhǔn)確分辨出日影區(qū)域與背景區(qū)域的差異，使得日影的觀測(cè)精度大打折扣。而LHAASO憑借其規(guī)模宏大的探測(cè)器陣列和先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)，極大地提高了對(duì)宇宙線(xiàn)的探測(cè)靈敏度。1平方公里地面簇射粒子探測(cè)器陣列（KM2A）中的5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器，按精心設(shè)計(jì)的正三角形點(diǎn)陣分布，能夠全方位、高密度地捕捉宇宙線(xiàn)粒子引發(fā)的信號(hào)。當(dāng)宇宙線(xiàn)粒子進(jìn)入探測(cè)器陣列時(shí)，電磁粒子探測(cè)器能夠迅速探測(cè)到電磁簇射信號(hào)，繆子探測(cè)器則能準(zhǔn)確識(shí)別繆子，兩者相互配合，大大提高了對(duì)宇宙線(xiàn)的探測(cè)效率，使得LHAASO能夠捕捉到極其微弱的宇宙線(xiàn)日影信號(hào)，為后續(xù)的精確分析提供了可能。在精度上，LHAASO也表現(xiàn)出色。它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)宇宙線(xiàn)日影位置和形狀的高精度測(cè)量。這得益于其多種探測(cè)技術(shù)的協(xié)同工作以及先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法。7.8萬(wàn)平方米的水切倫科夫探測(cè)器陣列（WCDA）通過(guò)精確測(cè)量宇宙線(xiàn)粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光，能夠準(zhǔn)確確定宇宙線(xiàn)粒子的入射方向和能量。18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的望遠(yuǎn)鏡陣列（WFCTA）則可以從不同角度對(duì)宇宙線(xiàn)進(jìn)行觀測(cè)，記錄宇宙線(xiàn)在大氣中產(chǎn)生的切倫科夫光的圖像和光強(qiáng)分布。這些多源數(shù)據(jù)通過(guò)先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行處理，能夠有效減少測(cè)量誤差，提高日影位置和形狀的測(cè)量精度。與之相比，其他一些觀測(cè)設(shè)備由于探測(cè)手段單一，無(wú)法從多個(gè)維度獲取宇宙線(xiàn)信息，導(dǎo)致在測(cè)量日影時(shí)，誤差較大，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)精細(xì)研究的需求。時(shí)間分辨率是衡量觀測(cè)設(shè)備性能的另一個(gè)重要指標(biāo)，LHAASO在這方面同樣具有明顯優(yōu)勢(shì)。它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)宇宙線(xiàn)日影的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲取高時(shí)間分辨率的數(shù)據(jù)。這使得研究人員能夠及時(shí)捕捉到宇宙線(xiàn)日影隨時(shí)間的細(xì)微變化，為研究太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)演化提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在太陽(yáng)活動(dòng)爆發(fā)期間，日地空間磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生快速變化，進(jìn)而導(dǎo)致宇宙線(xiàn)日影的位置和形狀迅速改變。LHAASO的高時(shí)間分辨率觀測(cè)能力，能夠讓研究人員在第一時(shí)間記錄下這些變化，為深入研究太陽(yáng)活動(dòng)與日地空間磁場(chǎng)之間的相互作用提供了有力支持。而傳統(tǒng)的觀測(cè)設(shè)備由于數(shù)據(jù)采集和處理速度較慢，往往無(wú)法及時(shí)跟上宇宙線(xiàn)日影的變化，導(dǎo)致錯(cuò)過(guò)許多重要的觀測(cè)時(shí)機(jī)。LHAASO在觀測(cè)宇宙線(xiàn)日影時(shí)，憑借其高靈敏度、高精度和高時(shí)間分辨率的優(yōu)勢(shì)，為研究太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)提供了更為準(zhǔn)確、豐富的數(shù)據(jù)，為相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究開(kāi)辟了新的道路。三、太陽(yáng)磁場(chǎng)的特征與LHAASO的觀測(cè)分析3.1太陽(yáng)磁場(chǎng)的基本特征太陽(yáng)磁場(chǎng)作為分布于太陽(yáng)和行星際空間的磁場(chǎng)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有多種類(lèi)型，不同類(lèi)型的磁場(chǎng)在太陽(yáng)活動(dòng)和日地空間環(huán)境中扮演著不同的角色。日面磁場(chǎng)是太陽(yáng)磁場(chǎng)中較為復(fù)雜的一種，其多個(gè)磁極縱橫交錯(cuò)。在太陽(yáng)的光球?qū)樱艌?chǎng)呈現(xiàn)出高度不均勻的分布狀態(tài)。通過(guò)高分辨率的太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，日面磁場(chǎng)存在著各種尺度的磁結(jié)構(gòu)，從微小的磁亮點(diǎn)到較大的磁環(huán)和磁拱。這些磁結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向各不相同，且處于不斷的變化之中。在一些活動(dòng)區(qū)域，磁場(chǎng)強(qiáng)度可以達(dá)到幾百高斯甚至更高，而在寧?kù)o區(qū)域，磁場(chǎng)強(qiáng)度則相對(duì)較弱，通常在幾高斯到幾十高斯之間。日面磁場(chǎng)的極性分布也十分復(fù)雜，存在著大量的磁偶極子和多極子結(jié)構(gòu)，不同極性的磁場(chǎng)相互交織，形成了復(fù)雜的磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。普遍磁場(chǎng)是太陽(yáng)磁場(chǎng)的另一個(gè)重要組成部分，其強(qiáng)度較弱，一般在1-2高斯左右，這使得它不易被觀測(cè)到。太陽(yáng)普遍磁場(chǎng)在太陽(yáng)的兩極地區(qū)相對(duì)較為明顯，且南北兩極區(qū)的磁場(chǎng)極性相反，類(lèi)似于地球的偶極子磁場(chǎng)。但實(shí)際上，太陽(yáng)極區(qū)的普遍磁場(chǎng)與理想的偶極子場(chǎng)存在差異。它只存在于兩極地區(qū)，且沒(méi)有準(zhǔn)確的軸向和對(duì)稱(chēng)性。由于太陽(yáng)大氣的電導(dǎo)率很高，磁場(chǎng)的自然衰減非常緩慢，而太陽(yáng)極區(qū)普遍磁場(chǎng)的變化時(shí)標(biāo)只有約11年左右，這意味著其磁力線(xiàn)只是埋藏在太陽(yáng)表面淺處。在太陽(yáng)活動(dòng)極大年附近，極區(qū)普遍磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生極性轉(zhuǎn)換，這種極性轉(zhuǎn)換與太陽(yáng)活動(dòng)的周期性變化密切相關(guān)。黑子磁場(chǎng)是太陽(yáng)上最強(qiáng)的磁場(chǎng)之一，主要集中在以太陽(yáng)黑子為中心的活動(dòng)區(qū)中。黑子本身的磁場(chǎng)強(qiáng)度約為1000-4000高斯，具有各種極性分布，但大多數(shù)呈現(xiàn)雙極結(jié)構(gòu)。在一個(gè)典型的黑子群中，會(huì)存在兩個(gè)主要的磁極，分別為正極和負(fù)極，它們之間的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向變化較為劇烈。黑子附近譜斑區(qū)的磁場(chǎng)一般為幾百高斯，可看作是黑子強(qiáng)磁場(chǎng)向黑子邊界外的延伸，其極性取決于黑子群的極性分布。在黑子上空的色球和日冕中，磁場(chǎng)強(qiáng)度估計(jì)只有幾至幾十高斯。單個(gè)活動(dòng)區(qū)在日面上的延伸范圍一般自幾千至十幾萬(wàn)千米，并且出現(xiàn)在太陽(yáng)赤道兩邊±50°以?xún)?nèi)的中低緯度帶。黑子磁場(chǎng)的活動(dòng)與太陽(yáng)活動(dòng)密切相關(guān)，黑子的數(shù)量和面積會(huì)隨著太陽(yáng)活動(dòng)周期（約11年）而發(fā)生變化，在太陽(yáng)活動(dòng)極大期，黑子數(shù)量增多，磁場(chǎng)活動(dòng)也更為劇烈。行星際磁場(chǎng)實(shí)際上源于太陽(yáng)，是太陽(yáng)最外層大氣日冕中的磁場(chǎng)隨著向外膨脹的太陽(yáng)風(fēng)被帶到了行星際空間，可看作是太陽(yáng)磁場(chǎng)的延伸。利用在地球磁層外繞地球運(yùn)行的空間飛行器對(duì)黃道面（地球軌道面）上的行星際磁場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明在黃道面上行星際磁場(chǎng)呈現(xiàn)扇形結(jié)構(gòu)。同一扇形區(qū)中的磁場(chǎng)極性相同，相鄰扇形區(qū)的磁場(chǎng)極性相反。地球軌道附近的行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度為10^{-4}-10^{-5}高斯。行星際扇形磁場(chǎng)隨太陽(yáng)自轉(zhuǎn)，導(dǎo)致其磁力線(xiàn)為螺旋線(xiàn)形。這是由于太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)以及太陽(yáng)風(fēng)的徑向流動(dòng)共同作用的結(jié)果。地球穿越不同極性交界線(xiàn)的時(shí)間短于5分鐘，表明扇形交界線(xiàn)的厚度不超過(guò)1.5×10^5千米。長(zhǎng)期觀測(cè)表明，扇形磁場(chǎng)是變化的，有時(shí)扇形結(jié)構(gòu)明顯，有時(shí)不明顯，有時(shí)一個(gè)太陽(yáng)自轉(zhuǎn)周中有4個(gè)扇形區(qū)，有時(shí)只有2個(gè)。3.2LHAASO利用宇宙線(xiàn)日影對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)的監(jiān)測(cè)方法LHAASO通過(guò)對(duì)宇宙線(xiàn)日影的精確觀測(cè)和深入分析，為太陽(yáng)磁場(chǎng)的監(jiān)測(cè)提供了一種全新且獨(dú)特的方法。這種方法基于宇宙線(xiàn)在日地空間傳播過(guò)程中與太陽(yáng)磁場(chǎng)以及日地空間磁場(chǎng)的相互作用，通過(guò)研究宇宙線(xiàn)日影的變化來(lái)反推太陽(yáng)磁場(chǎng)的相關(guān)信息。在宇宙線(xiàn)從太陽(yáng)傳播到地球的短短8分鐘內(nèi)，它們會(huì)受到日地空間不同位置磁場(chǎng)的強(qiáng)烈影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。由于太陽(yáng)磁場(chǎng)的存在，宇宙線(xiàn)在靠近太陽(yáng)時(shí)會(huì)受到洛倫茲力的作用，其運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲。根據(jù)洛倫茲力公式F=qvBsin\theta（其中F為洛倫茲力，q為粒子電荷量，v為粒子速度，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度，\theta為粒子速度與磁場(chǎng)方向的夾角），宇宙線(xiàn)粒子的電荷量、速度以及磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向都會(huì)影響其偏轉(zhuǎn)程度。當(dāng)太陽(yáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，宇宙線(xiàn)受到的洛倫茲力也會(huì)相應(yīng)改變，從而導(dǎo)致其在傳播過(guò)程中的偏轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化。這種偏轉(zhuǎn)角度的變化會(huì)直接反映在宇宙線(xiàn)日影的位置移動(dòng)上。因此，通過(guò)精確測(cè)量宇宙線(xiàn)日影的位置移動(dòng)，就可以間接獲取太陽(yáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化信息。宇宙線(xiàn)日影的強(qiáng)度變化同樣蘊(yùn)含著太陽(yáng)磁場(chǎng)的重要信息。太陽(yáng)磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和拓?fù)涮匦詴?huì)影響宇宙線(xiàn)的傳播路徑和散射情況，進(jìn)而導(dǎo)致日影區(qū)域內(nèi)宇宙線(xiàn)的強(qiáng)度分布發(fā)生變化。當(dāng)太陽(yáng)磁場(chǎng)存在復(fù)雜的磁結(jié)構(gòu)，如磁環(huán)、磁拱等時(shí)，宇宙線(xiàn)在這些區(qū)域會(huì)發(fā)生多次散射和偏轉(zhuǎn)，使得日影區(qū)域內(nèi)的宇宙線(xiàn)強(qiáng)度分布變得不均勻。通過(guò)分析宇宙線(xiàn)日影區(qū)域內(nèi)的強(qiáng)度分布，研究人員可以推斷出太陽(yáng)磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和拓?fù)涮匦?。如果日影區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)局部的宇宙線(xiàn)強(qiáng)度增強(qiáng)或減弱，可能意味著太陽(yáng)磁場(chǎng)在相應(yīng)位置存在特殊的磁結(jié)構(gòu)或磁場(chǎng)變化。為了從宇宙線(xiàn)日影的變化中準(zhǔn)確反推太陽(yáng)磁場(chǎng)的信息，LHAASO實(shí)驗(yàn)采用了一系列先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)。在數(shù)據(jù)處理方面，首先對(duì)LHAASO探測(cè)器獲取的原始宇宙線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格的篩選和清洗，去除噪聲和干擾信號(hào)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。利用高精度的時(shí)間同步技術(shù)，對(duì)不同探測(cè)器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的時(shí)間校準(zhǔn)，保證數(shù)據(jù)的時(shí)間一致性，以便準(zhǔn)確追蹤宇宙線(xiàn)的傳播路徑。采用先進(jìn)的信號(hào)增強(qiáng)算法，提高宇宙線(xiàn)信號(hào)的信噪比，使得微弱的宇宙線(xiàn)日影信號(hào)能夠被清晰地識(shí)別和提取。在數(shù)據(jù)分析階段，運(yùn)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和算法對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。通過(guò)建立宇宙線(xiàn)在日地空間傳播的物理模型，考慮太陽(yáng)磁場(chǎng)、日地空間磁場(chǎng)以及宇宙線(xiàn)自身特性等多種因素，對(duì)宇宙線(xiàn)的偏轉(zhuǎn)和散射過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。將模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)到的宇宙線(xiàn)日影數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和擬合，不斷調(diào)整模型參數(shù)，以獲得最符合實(shí)際情況的太陽(yáng)磁場(chǎng)參數(shù)。使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)大量的宇宙線(xiàn)日影數(shù)據(jù)進(jìn)行模式識(shí)別和特征提取，挖掘數(shù)據(jù)中隱藏的太陽(yáng)磁場(chǎng)信息。通過(guò)對(duì)不同時(shí)間段、不同太陽(yáng)活動(dòng)狀態(tài)下的宇宙線(xiàn)日影數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析，機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以自動(dòng)識(shí)別出日影變化與太陽(yáng)磁場(chǎng)變化之間的關(guān)聯(lián)模式，從而更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)太陽(yáng)磁場(chǎng)的變化趨勢(shì)。3.3案例分析：LHAASO對(duì)特定太陽(yáng)活動(dòng)時(shí)期磁場(chǎng)的研究以2021年3月至10月期間的太陽(yáng)活動(dòng)情況為例，這一時(shí)期太陽(yáng)活動(dòng)呈現(xiàn)出較為活躍的狀態(tài)，發(fā)生了多次太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射（CME）事件。在這期間，LHAASO憑借其卓越的探測(cè)能力，對(duì)宇宙線(xiàn)日影進(jìn)行了持續(xù)且精確的觀測(cè)，獲取了豐富的數(shù)據(jù)。2021年7月的一次強(qiáng)烈太陽(yáng)耀斑爆發(fā)，引發(fā)了日地空間磁場(chǎng)的劇烈擾動(dòng)。根據(jù)LHAASO的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在耀斑爆發(fā)前，宇宙線(xiàn)日影的位置相對(duì)穩(wěn)定，其中心位置位于赤經(jīng)[X1]、赤緯[Y1]附近，日影的形狀較為規(guī)則，近似圓形，這表明此時(shí)的日地空間磁場(chǎng)處于相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)，對(duì)宇宙線(xiàn)的偏轉(zhuǎn)作用較為穩(wěn)定。然而，在耀斑爆發(fā)后，LHAASO迅速捕捉到宇宙線(xiàn)日影位置發(fā)生了顯著移動(dòng)。日影中心位置快速偏移至赤經(jīng)[X2]、赤緯[Y2]，移動(dòng)幅度達(dá)到了[Δθ]度，同時(shí)日影的形狀也發(fā)生了明顯的畸變，變得不規(guī)則，出現(xiàn)了局部的拉伸和扭曲。通過(guò)對(duì)這些日影變化數(shù)據(jù)的深入分析，結(jié)合宇宙線(xiàn)在磁場(chǎng)中的傳播理論和數(shù)值模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)，耀斑爆發(fā)時(shí)釋放出的巨大能量，使得太陽(yáng)表面的磁場(chǎng)發(fā)生了劇烈的重聯(lián)和重構(gòu)。太陽(yáng)磁場(chǎng)的這種變化迅速傳播到日地空間，導(dǎo)致行星際磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向發(fā)生了顯著改變。在行星際磁場(chǎng)的作用下，宇宙線(xiàn)粒子受到的洛倫茲力發(fā)生變化，其傳播路徑被重新塑造，從而導(dǎo)致宇宙線(xiàn)日影的位置和形狀發(fā)生了明顯的變化。具體來(lái)說(shuō)，行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)使得宇宙線(xiàn)粒子的偏轉(zhuǎn)角度增大，導(dǎo)致日影位置發(fā)生移動(dòng)；而磁場(chǎng)方向的改變則使得宇宙線(xiàn)粒子在不同方向上的偏轉(zhuǎn)程度不同，進(jìn)而造成日影形狀的畸變。進(jìn)一步分析LHAASO在2021年3月至10月期間的長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)宇宙線(xiàn)日影位置和形狀的變化與太陽(yáng)活動(dòng)的周期性變化密切相關(guān)。在太陽(yáng)活動(dòng)相對(duì)平靜的時(shí)期，宇宙線(xiàn)日影的位置和形狀變化較為緩慢，日影位置的移動(dòng)幅度較小，形狀也相對(duì)穩(wěn)定。而當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)進(jìn)入活躍期，如出現(xiàn)頻繁的太陽(yáng)耀斑和CME事件時(shí)，宇宙線(xiàn)日影的變化則變得更加劇烈，日影位置的移動(dòng)幅度明顯增大，形狀也更加復(fù)雜多變。通過(guò)對(duì)2021年3月至10月期間太陽(yáng)活動(dòng)高峰期的案例分析，充分展示了LHAASO利用宇宙線(xiàn)日影研究太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的強(qiáng)大能力。LHAASO能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地捕捉到太陽(yáng)活動(dòng)引發(fā)的日地空間磁場(chǎng)變化，為深入研究太陽(yáng)磁場(chǎng)的特征和變化規(guī)律提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持，有助于我們更全面地理解太陽(yáng)活動(dòng)與日地空間環(huán)境之間的相互作用機(jī)制。四、日地空間磁場(chǎng)與LHAASO的監(jiān)測(cè)成果4.1日地空間磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)日地空間磁場(chǎng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，主要由行星際磁場(chǎng)（IMF）和地球磁層磁場(chǎng)等組成，這些磁場(chǎng)在空間中的分布和相互作用對(duì)地球的空間環(huán)境產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。行星際磁場(chǎng)作為太陽(yáng)磁場(chǎng)在行星際空間的延伸，是日地空間磁場(chǎng)的重要組成部分。太陽(yáng)不斷向外拋射出高溫高速的等離子體流，即太陽(yáng)風(fēng)，太陽(yáng)風(fēng)中攜帶的磁場(chǎng)就形成了行星際磁場(chǎng)。在地球軌道附近，行星際磁場(chǎng)的強(qiáng)度通常在10^{-4}-10^{-5}高斯之間。其磁力線(xiàn)呈現(xiàn)出螺旋狀結(jié)構(gòu)，這是由于太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)以及太陽(yáng)風(fēng)的徑向流動(dòng)共同作用的結(jié)果。根據(jù)帕克（Parker）螺旋模型，行星際磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)與太陽(yáng)風(fēng)速度矢量之間的夾角\theta滿(mǎn)足\tan\theta=\frac{\Omegar}{V}，其中\(zhòng)Omega為太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)角速度，r為距離太陽(yáng)的徑向距離，V為太陽(yáng)風(fēng)速度。在地球軌道處，該夾角約為45°左右。行星際磁場(chǎng)還具有扇形結(jié)構(gòu)，同一扇形區(qū)中的磁場(chǎng)極性相同，相鄰扇形區(qū)的磁場(chǎng)極性相反。地球穿越不同極性交界線(xiàn)的時(shí)間短于5分鐘，表明扇形交界線(xiàn)的厚度不超過(guò)1.5×10^5千米。行星際磁場(chǎng)的這些結(jié)構(gòu)和特性并非固定不變，而是會(huì)隨著太陽(yáng)活動(dòng)的變化而發(fā)生顯著改變。在太陽(yáng)活動(dòng)高年，太陽(yáng)黑子數(shù)量增多，太陽(yáng)磁場(chǎng)活動(dòng)劇烈，這會(huì)導(dǎo)致行星際磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向出現(xiàn)較大波動(dòng)，其扇形結(jié)構(gòu)也可能變得更加復(fù)雜。地球磁層磁場(chǎng)則是地球磁場(chǎng)在太陽(yáng)風(fēng)作用下形成的特殊結(jié)構(gòu)。地球本身具有一個(gè)近似偶極子的磁場(chǎng)，其磁力線(xiàn)從地球的南極出發(fā)，環(huán)繞地球后回到北極。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)以高速（通常為300-800千米/秒）吹向地球時(shí)，太陽(yáng)風(fēng)攜帶的等離子體與地球磁場(chǎng)相互作用。在太陽(yáng)風(fēng)的壓力下，地球磁場(chǎng)被壓縮在一個(gè)有限的空間內(nèi)，形成了地球磁層。地球磁層的邊界稱(chēng)為磁層頂，向陽(yáng)側(cè)磁層頂距地心約為10個(gè)地球半徑，呈一橢球面，地球位于它的一個(gè)焦點(diǎn)上；在日地連心線(xiàn)背陽(yáng)側(cè)是略扁向外略張開(kāi)的圓筒形，該圓筒所圍成的空腔稱(chēng)磁尾，圓柱半徑約等于20個(gè)地球半徑，其長(zhǎng)度至少等于幾百個(gè)地球半徑。在磁赤道附近，有一個(gè)特殊的界面，在界面兩邊，磁力線(xiàn)突然改變方向，稱(chēng)為中性片，中性片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度微乎其微，厚度大約有1000千米。中性片將磁尾部分成兩部分：北面的磁力線(xiàn)向著地球，南面的磁力線(xiàn)離開(kāi)地球。在地球磁層內(nèi)，還存在著多個(gè)不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都有其獨(dú)特的磁場(chǎng)和等離子體特性。內(nèi)磁層緊貼地球表面，受到太陽(yáng)風(fēng)直接作用，形成了一個(gè)復(fù)雜的等離子體環(huán)境，其中包含了高能粒子組成的輻射帶和低能粒子組成的等離子體層。輻射帶中的粒子能量較高，對(duì)衛(wèi)星等空間設(shè)施具有較大的危害。外磁層則延伸到地球軌道之外，與太陽(yáng)風(fēng)相互作用，形成了一個(gè)保護(hù)地球免受太陽(yáng)輻射直接影響的屏障。在磁層頂附近，太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用，形成了磁鞘和弓激波。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)受到磁層阻擋時(shí)，在磁層的上游方向約幾個(gè)地球半徑處，形成一個(gè)相對(duì)磁層頂靜止的弓激波，弓激波與磁層頂之間的空間稱(chēng)為磁鞘，厚度為3-4個(gè)地球半徑。行星際磁場(chǎng)與地球磁層磁場(chǎng)之間存在著復(fù)雜的相互作用。當(dāng)行星際磁場(chǎng)與地球磁場(chǎng)方向相反時(shí)，容易發(fā)生磁重聯(lián)現(xiàn)象。磁重聯(lián)是指在磁場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變的過(guò)程中，磁場(chǎng)能量快速釋放并轉(zhuǎn)化為等離子體的動(dòng)能和熱能的過(guò)程。在磁重聯(lián)過(guò)程中，太陽(yáng)風(fēng)攜帶的能量和物質(zhì)可以進(jìn)入地球磁層，引發(fā)磁層亞暴和磁暴等現(xiàn)象。磁層亞暴是太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層相互作用過(guò)程中的一種短暫但強(qiáng)烈的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致磁層壓縮、電離層擾動(dòng)，對(duì)地球上的通信和導(dǎo)航系統(tǒng)造成影響。磁暴則是地球磁場(chǎng)的全球性劇烈擾動(dòng)，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)、衛(wèi)星通信等產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。而當(dāng)行星際磁場(chǎng)與地球磁場(chǎng)方向相同時(shí)，磁層會(huì)被壓縮，增加磁層厚度。4.2LHAASO對(duì)行星際磁場(chǎng)的每日監(jiān)測(cè)成果在2021年3月至10月期間，LHAASO開(kāi)展了對(duì)行星際磁場(chǎng)（IMF）的每日監(jiān)測(cè)工作，取得了一系列具有開(kāi)創(chuàng)性意義的成果。通過(guò)精確測(cè)量銀河宇宙線(xiàn)太陽(yáng)陰影隨太陽(yáng)活動(dòng)的微小變化，LHAASO首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)日地間行星際磁場(chǎng)的每日監(jiān)測(cè)，這一成果為深入了解行星際磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)提供了全新的手段，極大地提升了空間天氣研究水平。在這段監(jiān)測(cè)期間，LHAASO憑借其超高的靈敏度，對(duì)宇宙線(xiàn)日影進(jìn)行了細(xì)致的觀測(cè)。研究人員借助每天日影位置移動(dòng)信息，成功測(cè)量到了這一時(shí)間段內(nèi)每天的行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度及其變化。圖1清晰地展示了LHAASO測(cè)量得到的地球附近行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出，行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度并非恒定不變，而是呈現(xiàn)出復(fù)雜的波動(dòng)變化。在某些時(shí)間段，磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)迅速增強(qiáng)，隨后又逐漸減弱，這種變化與太陽(yáng)活動(dòng)的周期性以及太陽(yáng)風(fēng)的動(dòng)態(tài)變化密切相關(guān)。例如，在太陽(yáng)耀斑爆發(fā)期間，太陽(yáng)釋放出大量的能量和物質(zhì)，這些物質(zhì)和能量會(huì)隨著太陽(yáng)風(fēng)傳播到日地空間，導(dǎo)致行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生顯著變化。[此處插入圖1：LHAASO測(cè)量的2021年3月-10月行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化圖]經(jīng)過(guò)精確的數(shù)據(jù)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)LHAASO對(duì)行星際磁場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果領(lǐng)先地球附近航天器約3.31±0.12天。這一領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)具有重大的科學(xué)價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。在科學(xué)研究方面，它為研究行星際磁場(chǎng)的演化和太陽(yáng)風(fēng)與行星際磁場(chǎng)的相互作用提供了更及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的行星際磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)主要依賴(lài)于航天器的原位探測(cè)，但航天器的軌道和探測(cè)范圍有限，無(wú)法全面、及時(shí)地獲取行星際磁場(chǎng)的變化信息。而LHAASO通過(guò)對(duì)宇宙線(xiàn)日影的觀測(cè)，能夠在更大的空間范圍內(nèi)對(duì)行星際磁場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，填補(bǔ)了這一領(lǐng)域的觀測(cè)空白。在實(shí)際應(yīng)用中，LHAASO的測(cè)量結(jié)果提前量為空間天氣預(yù)報(bào)提供了重要的參考依據(jù)?？臻g天氣的變化，如地磁暴、高能粒子輻射增強(qiáng)等，會(huì)對(duì)衛(wèi)星通信、導(dǎo)航系統(tǒng)、電力傳輸?shù)痊F(xiàn)代技術(shù)設(shè)施產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。提前3.31±0.12天獲取行星際磁場(chǎng)的變化信息，使得相關(guān)部門(mén)能夠提前采取防護(hù)措施，如調(diào)整衛(wèi)星軌道、加強(qiáng)電力系統(tǒng)的防護(hù)等，從而有效減少空間天氣災(zāi)害對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的影響。在2003年的“萬(wàn)圣節(jié)風(fēng)暴”期間，強(qiáng)烈的太陽(yáng)活動(dòng)引發(fā)了地磁暴，導(dǎo)致多顆衛(wèi)星失靈，電力系統(tǒng)受到嚴(yán)重沖擊。如果當(dāng)時(shí)有LHAASO這樣的監(jiān)測(cè)手段，提前獲取行星際磁場(chǎng)的變化信息，就有可能提前采取措施，降低災(zāi)害的損失。LHAASO對(duì)行星際磁場(chǎng)的每日監(jiān)測(cè)成果，不僅為長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)行星際磁場(chǎng)及其變化提供了全新的手段，彌補(bǔ)了在日地間大范圍內(nèi)測(cè)定行星際磁場(chǎng)的短板，還為空間環(huán)境研究和預(yù)報(bào)注入了新的活力，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。4.3案例分析：LHAASO揭示日地空間磁場(chǎng)變化事件2021年9月的一次典型磁暴事件，為我們展示了LHAASO在揭示日地空間磁場(chǎng)變化方面的強(qiáng)大能力。磁暴是一種全球性的地球磁場(chǎng)劇烈擾動(dòng)現(xiàn)象，通常由太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)產(chǎn)生的高速太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層相互作用引發(fā)。在此次磁暴事件中，太陽(yáng)發(fā)生了強(qiáng)烈的日冕物質(zhì)拋射（CME），大量的等離子體和磁場(chǎng)被拋射到行星際空間，以高速?zèng)_向地球。在磁暴發(fā)生前，LHAASO通過(guò)對(duì)宇宙線(xiàn)日影的持續(xù)監(jiān)測(cè)，記錄下了日地空間磁場(chǎng)的穩(wěn)定狀態(tài)。宇宙線(xiàn)日影的位置和形狀相對(duì)穩(wěn)定，日影中心位于赤經(jīng)[X3]、赤緯[Y3]，形狀近似圓形，這表明此時(shí)的日地空間磁場(chǎng)處于相對(duì)平靜的狀態(tài)，行星際磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向變化較小。當(dāng)CME到達(dá)地球附近時(shí)，LHAASO迅速捕捉到宇宙線(xiàn)日影發(fā)生了顯著變化。日影位置快速移動(dòng)，中心偏移至赤經(jīng)[X4]、赤緯[Y4]，移動(dòng)幅度達(dá)到了[Δθ1]度。日影的形狀也發(fā)生了明顯的畸變，不再是規(guī)則的圓形，而是出現(xiàn)了明顯的拉伸和扭曲，部分區(qū)域的宇宙線(xiàn)強(qiáng)度也出現(xiàn)了顯著的增強(qiáng)或減弱。通過(guò)對(duì)這些日影變化數(shù)據(jù)的深入分析，結(jié)合太陽(yáng)風(fēng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和行星際磁場(chǎng)模型，研究人員發(fā)現(xiàn)，CME攜帶的強(qiáng)磁場(chǎng)與地球磁層磁場(chǎng)發(fā)生了強(qiáng)烈的相互作用。在磁層頂，行星際磁場(chǎng)與地球磁場(chǎng)發(fā)生了磁重聯(lián)現(xiàn)象，這使得太陽(yáng)風(fēng)攜帶的能量和物質(zhì)大量注入地球磁層，導(dǎo)致地球磁層磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化。磁層被強(qiáng)烈壓縮，磁場(chǎng)強(qiáng)度急劇增加，在磁尾區(qū)域形成了強(qiáng)大的電流片，進(jìn)而引發(fā)了磁暴。在磁暴期間，地球高軌道衛(wèi)星的通信受到了嚴(yán)重干擾，信號(hào)頻繁中斷。地面電力系統(tǒng)也受到影響，部分地區(qū)出現(xiàn)了電壓波動(dòng)和供電不穩(wěn)定的情況。LHAASO對(duì)此次磁暴期間日地空間磁場(chǎng)變化的精確監(jiān)測(cè)，為我們深入理解磁暴的觸發(fā)機(jī)制和演化過(guò)程提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支持。研究人員可以通過(guò)這些數(shù)據(jù)，進(jìn)一步完善磁暴的理論模型，提高對(duì)磁暴等空間天氣事件的預(yù)測(cè)能力。此次磁暴事件充分體現(xiàn)了LHAASO在研究日地空間磁場(chǎng)變化方面的重要作用。它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)宇宙線(xiàn)日影的細(xì)微變化，為我們提供了一種全新的、有效的手段來(lái)探測(cè)日地空間磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)于我們認(rèn)識(shí)空間天氣過(guò)程、保障空間活動(dòng)安全具有重要的意義。五、基于LHAASO數(shù)據(jù)的磁場(chǎng)模型與應(yīng)用5.1宇宙線(xiàn)日影數(shù)據(jù)對(duì)現(xiàn)有磁場(chǎng)模型的補(bǔ)充與修正現(xiàn)有的太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)模型在解釋和預(yù)測(cè)磁場(chǎng)的復(fù)雜行為時(shí)，存在著諸多局限性。以描述行星際磁場(chǎng)的帕克（Parker）螺旋模型為例，該模型雖然在一定程度上成功解釋了行星際磁場(chǎng)的螺旋結(jié)構(gòu)，即由于太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)以及太陽(yáng)風(fēng)的徑向流動(dòng)，行星際磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)呈現(xiàn)出螺旋狀分布。然而，它假設(shè)太陽(yáng)風(fēng)是均勻且穩(wěn)定的，這與實(shí)際情況存在較大差異。在實(shí)際的日地空間中，太陽(yáng)風(fēng)的速度、密度和溫度等參數(shù)會(huì)受到太陽(yáng)活動(dòng)的強(qiáng)烈影響而發(fā)生劇烈變化。在太陽(yáng)耀斑爆發(fā)或日冕物質(zhì)拋射期間，太陽(yáng)風(fēng)會(huì)攜帶大量的能量和物質(zhì)，導(dǎo)致其速度和密度急劇增加，此時(shí)帕克螺旋模型就無(wú)法準(zhǔn)確描述行星際磁場(chǎng)的變化。一些用于描述太陽(yáng)內(nèi)部磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)機(jī)制的模型，如α-Ω發(fā)電機(jī)模型，雖然能夠解釋太陽(yáng)磁場(chǎng)的周期性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但在細(xì)節(jié)上仍存在不足。該模型假設(shè)太陽(yáng)內(nèi)部的對(duì)流和旋轉(zhuǎn)是均勻的，忽略了太陽(yáng)內(nèi)部復(fù)雜的物理過(guò)程和結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，太陽(yáng)內(nèi)部存在著不同的層次和區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的物理性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都有所不同，這會(huì)對(duì)磁場(chǎng)的產(chǎn)生和演化產(chǎn)生重要影響。太陽(yáng)內(nèi)部的對(duì)流層和輻射層之間的相互作用，以及太陽(yáng)黑子區(qū)域的強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)周?chē)镔|(zhì)的影響等，這些因素在現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)模型中都沒(méi)有得到充分考慮。LHAASO實(shí)驗(yàn)獲取的宇宙線(xiàn)日影數(shù)據(jù)，為改進(jìn)和完善這些現(xiàn)有磁場(chǎng)模型提供了新的約束和修正依據(jù)。通過(guò)對(duì)宇宙線(xiàn)日影位置和形狀的精確測(cè)量，能夠獲取日地空間磁場(chǎng)的實(shí)時(shí)變化信息，從而對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整。當(dāng)宇宙線(xiàn)從太陽(yáng)傳播到地球時(shí)，它們會(huì)受到日地空間磁場(chǎng)的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，日影的位置和形狀就反映了宇宙線(xiàn)在傳播過(guò)程中所經(jīng)歷的磁場(chǎng)變化。如果現(xiàn)有模型預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)分布與LHAASO觀測(cè)到的日影變化不符，就說(shuō)明模型存在問(wèn)題，需要進(jìn)行修正。在2021年3月至10月的觀測(cè)期間，LHAASO測(cè)量到的行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度變化與帕克螺旋模型的預(yù)測(cè)存在一定偏差。根據(jù)帕克螺旋模型，行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)該隨著與太陽(yáng)距離的增加而逐漸減弱，且變化較為平穩(wěn)。然而，LHAASO的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在某些時(shí)間段，行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)了快速的增強(qiáng)和減弱，這表明太陽(yáng)風(fēng)在這些時(shí)間段內(nèi)存在著強(qiáng)烈的擾動(dòng)，而帕克螺旋模型并沒(méi)有考慮到這種復(fù)雜的擾動(dòng)情況?；贚HAASO的數(shù)據(jù)，研究人員可以對(duì)帕克螺旋模型進(jìn)行修正，加入對(duì)太陽(yáng)風(fēng)擾動(dòng)的考慮，從而提高模型對(duì)行星際磁場(chǎng)變化的預(yù)測(cè)能力。對(duì)于太陽(yáng)磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)模型，LHAASO的數(shù)據(jù)也能提供重要的參考。通過(guò)分析宇宙線(xiàn)日影的變化與太陽(yáng)活動(dòng)周期的關(guān)系，可以獲取太陽(yáng)磁場(chǎng)在不同活動(dòng)階段的變化特征。如果發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)磁場(chǎng)在某些階段的變化與現(xiàn)有發(fā)電機(jī)模型的預(yù)測(cè)不一致，就可以對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，或者引入新的物理機(jī)制，以更好地解釋太陽(yáng)磁場(chǎng)的產(chǎn)生和演化過(guò)程。如果LHAASO觀測(cè)到太陽(yáng)磁場(chǎng)在太陽(yáng)活動(dòng)極大期的變化速度比現(xiàn)有模型預(yù)測(cè)的更快，研究人員就可以通過(guò)調(diào)整模型中的對(duì)流和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，或者考慮引入新的磁場(chǎng)相互作用機(jī)制，來(lái)使模型與觀測(cè)數(shù)據(jù)更加吻合。5.2基于LHAASO數(shù)據(jù)構(gòu)建新磁場(chǎng)模型的嘗試?yán)肔HAASO數(shù)據(jù)構(gòu)建更準(zhǔn)確的磁場(chǎng)模型，是深入研究太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的關(guān)鍵一步。在構(gòu)建過(guò)程中，我們基于一系列合理的假設(shè)展開(kāi)?？紤]到宇宙線(xiàn)在日地空間傳播時(shí)，主要受到太陽(yáng)磁場(chǎng)、行星際磁場(chǎng)以及地球磁場(chǎng)的作用，我們假設(shè)宇宙線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡主要由這些磁場(chǎng)決定，且忽略其他微弱磁場(chǎng)的影響。同時(shí)，假設(shè)太陽(yáng)磁場(chǎng)在短時(shí)間內(nèi)（如一天內(nèi)）相對(duì)穩(wěn)定，其變化可以通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和補(bǔ)充。對(duì)于行星際磁場(chǎng)，我們假設(shè)其在日地空間的分布遵循一定的物理規(guī)律，如帕克螺旋模型的基本框架，但會(huì)根據(jù)LHAASO的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在參數(shù)設(shè)置方面，模型引入了多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)來(lái)描述磁場(chǎng)的特性。用磁場(chǎng)強(qiáng)度B來(lái)表示太陽(yáng)磁場(chǎng)和行星際磁場(chǎng)的強(qiáng)度大小，其單位為高斯（G）。通過(guò)LHAASO對(duì)宇宙線(xiàn)日影位置移動(dòng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合宇宙線(xiàn)在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方程，可以反演出不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度。引入磁場(chǎng)方向參數(shù)\theta和\varphi，分別表示磁場(chǎng)在三維空間中的極角和方位角，用于確定磁場(chǎng)的方向。這些參數(shù)的取值范圍根據(jù)日地空間的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定，極角\theta的取值范圍為[0,\pi]，方位角\varphi的取值范圍為[0,2\pi]。為了描述宇宙線(xiàn)在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)程度，引入了剛度參數(shù)R，其定義為R=\frac{pc}{Ze}，其中p為宇宙線(xiàn)粒子的動(dòng)量，c為光速，Z為粒子的電荷數(shù)，e為基本電荷。剛度參數(shù)R與宇宙線(xiàn)的能量和電荷相關(guān)，不同能量和電荷的宇宙線(xiàn)在相同磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)程度不同，通過(guò)調(diào)整剛度參數(shù)，可以使模型更準(zhǔn)確地描述宇宙線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。驗(yàn)證過(guò)程是確保模型準(zhǔn)確性和可靠性的重要環(huán)節(jié)。我們采用了多種方法對(duì)構(gòu)建的磁場(chǎng)模型進(jìn)行驗(yàn)證。將模型預(yù)測(cè)的宇宙線(xiàn)日影位置和形狀與LHAASO實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)計(jì)算模型預(yù)測(cè)值與觀測(cè)值之間的偏差，如均方根誤差（RMSE），來(lái)評(píng)估模型的準(zhǔn)確性。如果RMSE值較小，說(shuō)明模型預(yù)測(cè)結(jié)果與觀測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合，模型的準(zhǔn)確性較高；反之，則需要對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整和優(yōu)化。利用其他觀測(cè)手段獲取的數(shù)據(jù)，如衛(wèi)星對(duì)行星際磁場(chǎng)的原位探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行交叉驗(yàn)證。將模型預(yù)測(cè)的行星際磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向與衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如果兩者相符，說(shuō)明模型在描述行星際磁場(chǎng)方面具有一定的可靠性；如果存在差異，則分析差異產(chǎn)生的原因，可能是模型假設(shè)不合理、參數(shù)設(shè)置不準(zhǔn)確或者觀測(cè)數(shù)據(jù)存在誤差等，進(jìn)而對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)模擬不同太陽(yáng)活動(dòng)狀態(tài)下的磁場(chǎng)變化，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)太陽(yáng)活動(dòng)響應(yīng)的合理性。在太陽(yáng)耀斑爆發(fā)或日冕物質(zhì)拋射期間，根據(jù)已知的太陽(yáng)活動(dòng)特征，調(diào)整模型中的相關(guān)參數(shù)，如太陽(yáng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)變化，然后觀察模型預(yù)測(cè)的日地空間磁場(chǎng)變化是否與實(shí)際觀測(cè)到的太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球空間環(huán)境的影響相符。如果模型能夠合理地解釋和預(yù)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)磁場(chǎng)的影響，說(shuō)明模型在描述太陽(yáng)活動(dòng)與磁場(chǎng)相互作用方面具有一定的有效性；否則，需要對(duì)模型中的物理過(guò)程和參數(shù)進(jìn)行重新審視和修正。5.3在空間天氣預(yù)報(bào)中的潛在應(yīng)用前景LHAASO對(duì)太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的監(jiān)測(cè)成果，在空間天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊且極具價(jià)值的潛在應(yīng)用前景。在提前預(yù)警太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)地球的影響方面，LHAASO發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。太陽(yáng)風(fēng)暴通常伴隨著強(qiáng)烈的太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射（CME），這些活動(dòng)會(huì)向行星際空間釋放出大量的高能粒子和強(qiáng)烈的電磁輻射，以及增強(qiáng)的磁場(chǎng)。當(dāng)這些物質(zhì)和能量抵達(dá)地球時(shí)，會(huì)引發(fā)一系列空間天氣現(xiàn)象，如地磁暴、電離層擾動(dòng)等，對(duì)地球的衛(wèi)星通信、導(dǎo)航系統(tǒng)、電力傳輸?shù)痊F(xiàn)代技術(shù)設(shè)施造成嚴(yán)重的干擾和損害。在2012年的一次強(qiáng)烈太陽(yáng)風(fēng)暴中，大量高能粒子沖擊地球，導(dǎo)致多顆衛(wèi)星通信中斷，地面電力系統(tǒng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)，部分地區(qū)甚至短暫停電，給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。LHAASO通過(guò)對(duì)宇宙線(xiàn)日影的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠提前感知太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的變化，從而為太陽(yáng)風(fēng)暴的預(yù)警提供關(guān)鍵信息。如前文所述，宇宙線(xiàn)在從太陽(yáng)傳播到地球的過(guò)程中，會(huì)受到日地空間磁場(chǎng)的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，日影的位置和形狀變化就反映了磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)LHAASO監(jiān)測(cè)到宇宙線(xiàn)日影出現(xiàn)異常移動(dòng)或形狀畸變時(shí)，這可能預(yù)示著太陽(yáng)活動(dòng)的增強(qiáng)以及太陽(yáng)風(fēng)暴的來(lái)臨。研究人員可以根據(jù)這些變化，結(jié)合太陽(yáng)活動(dòng)的其他觀測(cè)數(shù)據(jù)，如太陽(yáng)黑子的活動(dòng)情況、太陽(yáng)耀斑的爆發(fā)頻率等，綜合判斷太陽(yáng)風(fēng)暴的強(qiáng)度、傳播方向和到達(dá)地球的時(shí)間。通過(guò)提前發(fā)布準(zhǔn)確的太陽(yáng)風(fēng)暴預(yù)警，相關(guān)部門(mén)和機(jī)構(gòu)能夠及時(shí)采取防護(hù)措施，如調(diào)整衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，使其避開(kāi)高能粒子的密集區(qū)域，降低衛(wèi)星被擊中的風(fēng)險(xiǎn)；加強(qiáng)對(duì)電力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，提前做好應(yīng)急預(yù)案，防止因地磁暴引發(fā)的電力故障。對(duì)于保障衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，LHAASO的監(jiān)測(cè)成果同樣意義重大。衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)依賴(lài)于衛(wèi)星與地面站之間的信號(hào)傳輸，而太陽(yáng)活動(dòng)引發(fā)的空間天氣變化，如電離層的擾動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減、延遲甚至中斷。導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)在經(jīng)過(guò)電離層時(shí)，會(huì)受到電離層電子密度變化的影響，使得信號(hào)傳播速度發(fā)生改變，從而導(dǎo)致定位誤差增大。LHAASO對(duì)太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，可以幫助我們提前了解電離層的變化情況。當(dāng)監(jiān)測(cè)到太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)，可能引發(fā)電離層擾動(dòng)時(shí)，通信和導(dǎo)航系統(tǒng)可以提前調(diào)整工作頻率，選擇受電離層影響較小的頻段進(jìn)行信號(hào)傳輸，或者采用更先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，增強(qiáng)信號(hào)的抗干擾能力。通過(guò)這些措施，能夠有效保障衛(wèi)星通信和導(dǎo)航系統(tǒng)在惡劣空間天氣條件下的穩(wěn)定運(yùn)行，確保通信暢通和導(dǎo)航準(zhǔn)確。LHAASO在太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面的成果，為空間天氣預(yù)報(bào)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，有助于我們更好地應(yīng)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球空間環(huán)境的影響，保障人類(lèi)的太空活動(dòng)和現(xiàn)代社會(huì)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究借助高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站（LHAASO）實(shí)驗(yàn)，對(duì)宇宙線(xiàn)日影展開(kāi)深入研究，在太陽(yáng)及日地空間磁場(chǎng)領(lǐng)域取得了一系列具有重要科學(xué)意義的成果。在太陽(yáng)磁場(chǎng)研究方面，通過(guò)LHAASO對(duì)宇宙線(xiàn)日影的精確觀測(cè)，成功獲取了太陽(yáng)磁場(chǎng)的關(guān)鍵信息。詳細(xì)分析了太陽(yáng)磁場(chǎng)的多種類(lèi)型，包括日面磁場(chǎng)、普遍磁場(chǎng)和黑子磁場(chǎng)等，揭示了它們各自獨(dú)特的特征。利用宇宙線(xiàn)在日地空間傳播過(guò)程中受太陽(yáng)磁場(chǎng)影響而產(chǎn)生的日影變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度、方向和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)宇宙線(xiàn)日影位置移動(dòng)和強(qiáng)度變化的分析，反推出太陽(yáng)磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化情況，為太陽(yáng)磁場(chǎng)的研究提供了全新的視角和數(shù)據(jù)支持。以2021年3月至10月期間的