宇宙线是剧烈天体活动（包括太阳）释放出来的高能粒子，因其各种辐射损伤效应而对航天器和宇航员构成严重乃至致命的危害，成为国际空间环境和航空航天领域的研究热点。例如，美国NASA和布鲁克海文国家实验室共建空间辐射实验室（https://www.bnl.gov/nsrl/）专门用于研究空间高能粒子引起的辐射效应，以评估空间辐射危害并提出应对措施。在我国深空探测迅速推进的今天，加强空间辐射环境与效应的研究显得尤为迫切。另一方面，对空间高能粒子的研究在科学理论突破上具有重大意义。宇宙线自1912年被奥地利科学家维克托·赫斯（Victor Hess，1936年诺贝尔物理学奖获得者）发现以来，与之相关的研究已产生5枚诺贝尔奖牌，但是高能宇宙线起源这一根本问题却始终没有得到解决，成为困扰国际科学界100余年的"世纪之谜"，是欧、美科学决策机构提出的6个或11个本世纪基础科学难题之一。近年来，随着国际上几个大型实验平台相继建立以及理论研究的深入开展，这一"世纪之谜"有望在今后10-20年内得以彻底解决或取得突破性进展。
要解决宇宙线起源问题，必须深入理解高能带电粒子的加速和传播过程及其物理机制。太阳高能粒子由太阳剧烈爆发活动产生并在行星际空间中传播，因其观测便利性而成为研究宇宙线起源、加速和传播问题的范本粒子。高能带电粒子在湍动行星际磁场中经历沿磁场流动、与太阳风对流、绝热磁聚焦、绝热冷却、扩散运动等基础物理机制。传统的准线性理论认为高能粒子横越磁力线的垂直扩散作用极小，可以忽略不计，因此，研究领域中若干基本概念都是建立在只考虑平行扩散作用的基础之上。近年来，随着多飞船协同观测和非线性理论及数值模拟研究的发展，垂直扩散机制的重要作用日益受到学界重视，并被用来定量解释或重现相关观测现象，从而促进高能粒子传播研究从定性分析到定量解释的实质性飞跃。然而，几乎所有的已有观测现象都能同时被假想的物理机制（比如磁场结构）定性地解释，虽然大部分情况下这些解释只是一种粗浅的猜测，但却在高能粒子研究领域中长期占据中心位置。因此，寻找一种独特、精细和突显垂直扩散机制的观测现象，成为高能粒子研究领域中一项十分重要的新课题。中科院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室何宏青副研究员和万卫星研究员通过对1996-2011年间共16年的太阳质子事件（SPE）观测数据进行系统性的分析，首次发现太阳质子事件东-西经度非对称分布的观测现象，即当飞船的磁力线足点与太阳源区之间的经度距离相同时，来自东边源区SPE数多于来自西边源区SPE数，且该现象和规律具有普适性——对于不同能量和不同种类的高能粒子均成立。结合理论分析和数值模拟工作，进一步揭示出形成该现象的本质原因是高能粒子的垂直扩散机制。该项研究为垂直扩散机制的重要作用提供了一个十分独特的观测证据，其独特性表现在该现象很难用其他任何传统研究中的物理机制体面地解释。此外，在垂直扩散机制的物理背景下，纠正了高能粒子学科领域中盛行25 年之久的"水库（reservoir）"现象或模型，并在坚实的理论和观测基础上将其重新命名为"洪水（flood）"现象，建立了基于垂直扩散机制、可定量描述的"洪水"模型。该项研究成果近期发表于国际顶级专业期刊Monthly Notices of the Royal Astronomical Society（He & Wan, On the East-West Longitudinally Asymmetric Distribution of Solar Proton Events. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2017, 464, 85, doi:10.1093/mnras/stw2255）。该论文今年发表以来，目前已获美国、德国、南非等国的著名研究组在其论文中引用和评述。
图1：1996-2011年间观测到的太阳质子事件数量随源区与飞船磁足点之间的经度距离的分布（He & Wan, 2017）。
国际深空探测活动正蓬勃开展，探测范围从内日球层经行星际空间延伸至外日球层乃至日球层边界和星际空间。所有这些探测任务、设备和电子元器件在设计时都必须对相应空间区域的高能粒子辐射剂量和辐射环境进行理论分析和实际评估，以免严重影响星载仪器设备的工作性能或大幅增加探测任务的成本。欧美学者在这方面开展了长期研究，建立了一些较实用的粒子通量、辐射剂量经验公式，但是不同课题组得到的经验函数往往差别较大，且很难在定量的基础上合理解释这些差异。例如，早期利用内日球层飞船Helios 1、Helios 2及近地飞船IMP-7、IMP-8、ISEE-3、GOES观测数据得到的经验函数就与近期利用绕水星飞船MESSENGER及近1 AU飞船STEREO-A、STEREO-B、ACE、SOHO观测数据得到的经验函数不同。因此，为解释和预报各行星的空间辐射环境与效应，建立一套基于物理的行星空间辐射环境定量预测模型显得尤为重要。中科院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室何宏青副研究员等对这项课题开展了系统、深入的研究，通过大规模数值求解5维Fokker-Planck聚焦传播方程，厘清与弥合了国际上在粒子通量径向变化函数关系上的各种分歧，解释了产生分歧的重要原因，得到了粒子通量径向变化经验建模的下限，发现了粒子通量径向依赖性的"两阶段"现象，并指出该现象的"断点"位置取决于各飞船的磁连接状态。这些研究结果可用于预测后续一系列飞船的高能粒子观测数据。该项研究成果近期发表于国际顶级专业期刊Astrophysical Journal（He et al., Propagation of Solar Energetic Particles in Three-dimensional Interplanetary Magnetic Fields: Radial Dependence of Peak Intensities. Astrophysical Journal, 2017, 842, 71, doi:10.3847/1538-4357/aa7574）。
图2：高能粒子通量强度的日心径向距离依赖性。呈现"两阶段"现象，其"断点"位置取决于各飞船的磁连接状态（He et al., 2017）。
上述系列研究得到了国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会等的资助。
（论文1链接网址：https://academic.oup.com/mnras/article-lookup/doi/10.1093/mnras/stw2255）
（论文2链接网址：https://doi.org/10.3847/1538-4357/aa7574）