同步軌道相對論電子通量長期倒空事件的統(tǒng)計研究

吳晗, 陳濤, V. V. Kalegaev, M. I. Panasyuk,段素平, 何兆海， 李仁康

1 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心， 空間天氣學(xué)國家重點實驗室， 北京 100190 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049 3 莫斯科羅蒙諾索夫國立大學(xué)， 核物理研究所， 俄羅斯 莫斯科 119234 4 云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院， 昆明 650500

0 引言

地球輻射帶是圍繞在地球周圍的充滿著大量被捕獲的高能帶電粒子區(qū)域，是許多衛(wèi)星飛行軌道所在區(qū)域，也是探索系外行星航天器飛離地球的必經(jīng)區(qū)域.其中，外輻射帶位于L=3～7之間，其內(nèi)部被捕獲的高能電子易受太陽風(fēng)、宇宙線等影響，處于不斷的動態(tài)變化中(Baker et al., 2018).MeV能量的高能電子也被稱為“殺手電子”，當(dāng)其通量增強到一定程度時，會對在軌衛(wèi)星的正常工作和安全造成巨大威脅.外輻射帶中存在著一類特殊的物理現(xiàn)象，就是電子通量倒空現(xiàn)象(dropout)，其特征是在一個廣闊的能段、投擲角和L范圍內(nèi)，被捕獲的電子群通量顯著下降的現(xiàn)象(Turner et al., 2012a).這類現(xiàn)象發(fā)生時高能電子通量會降至極低水平，當(dāng)持續(xù)時間較長時，可以為衛(wèi)星的安全和長時間艙外作業(yè)提供有效的保障(Wrenn, 1995).揭示這類現(xiàn)象的發(fā)生規(guī)律既是空間物理學(xué)研究的熱點，也可以加深對電子在輻射帶中加速、損失機制的認識和理解，為預(yù)報空間天氣提供強有力的科學(xué)支持.

輻射帶內(nèi)相對論電子通量具有高度的可變性，可以在從幾分鐘到幾年的時間尺度上發(fā)生數(shù)量級的變化.長期的變化一般與太陽活動周不同階段太陽活動水平高低的影響有關(guān)，短期的變化則由太陽風(fēng)和行星際條件決定(Hajra et al., 2014; Hajra and Tsurutani, 2018).目前已有許多工作對輻射帶電子長時間通量倒空現(xiàn)象進行了研究.Lee等(2013)通過分析2009年外輻射帶電子通量變化發(fā)現(xiàn)：外輻射帶在這一年當(dāng)中整體比較平靜，發(fā)生通量(幾百keV至MeV電子)倒空現(xiàn)象數(shù)次，最長持續(xù)時間高達2個月.這類現(xiàn)象與極弱的太陽風(fēng)條件有關(guān)，在太陽活動低年，長時間平靜的太陽風(fēng)條件大大地減少磁層對流和注入過程，導(dǎo)致等離子層膨脹，甚至可以擴大到地球同步軌道高度.等離子層內(nèi)的波動，如等離子體層嘶聲可以引起電子投擲角散射，使電子最終沉降到地球大氣從輻射帶中永久損失(Breneman et al., 2015).Pinto等(2018)通過時間序列疊加法對發(fā)生在1996—2006年間的21例相對論電子通量長期倒空事件分析得出：低速太陽風(fēng)、突然增加的質(zhì)子密度以及事件開始后緊隨的IMFBz分量平均值由南向轉(zhuǎn)為北向的過程是這一類事件的普遍特征.

地磁暴發(fā)生期間，外輻射帶內(nèi)高能電子通量通常會發(fā)生變化.典型的變化是：相對論電子通量會隨著地磁活動的增強，在磁暴主相期間下降，隨后在磁暴恢復(fù)相階段增長，在伴隨著高強度持續(xù)性亞暴活動的磁暴恢復(fù)相期間相對論電子通量甚至可能遠超暴前水平(李柳元等，2006).Onsager等(2002)通過分析一次中等磁暴期間電子通量的變化發(fā)現(xiàn)，在磁暴結(jié)束后，只有能量較低的高能電子(E<300 keV)可以恢復(fù)到暴前水平，而較高能量的相對論電子(>2 MeV)并沒有恢復(fù)到暴前水平.在外輻射帶相對論電子通量對磁暴的響應(yīng)這一研究領(lǐng)域中，比較有代表性的是Reeves等(2003)關(guān)于1989—2000年間對276個中、大磁暴前后，外輻射帶相對論電子通量變化的研究工作.其研究結(jié)果表明：有53%的磁暴會使同步軌道相對論電子通量增加，19%的磁暴會減少同步軌道相對論電子通量，而28%的磁暴對同步軌道相對論電子通量并沒有產(chǎn)生顯著的變化.近年來，Anderson等(2015)采用和Reeves等(2003)類似的方法，同樣研究了1989—2000年間磁暴前后相對論電子通量的變化情況.不同的是，他們的研究對象是342個小磁暴事件，但也得出了相似的結(jié)論，即小磁暴和中、大磁暴一樣可以使相對論電子通量增加、減少或者不變.由此可見，磁暴發(fā)生與否不能完全決定暴后相對論電子通量的走向，應(yīng)結(jié)合更多的參數(shù)綜合分析.

以往的研究工作更多地集中在相對論電子通量產(chǎn)生變化的動態(tài)過程，即關(guān)注點在相對論電子通量顯著增強或者損失的階段，一些研究工作也會采用時間序列疊加法來進行統(tǒng)計研究，或者對單例事件分析其相關(guān)的物理機制等(Green and Kivelson, 2004; Borovsky and Denton, 2009; Ni et al., 2016; Pinto et al., 2018).與前人工作不同的是，本文對相對論電子通量長期保持倒空狀態(tài)這一通量穩(wěn)定不變的階段研究其統(tǒng)計特征.首先通過對約1.5個太陽活動周內(nèi)共62例相對論電子通量長期倒空事件的持續(xù)時間和分布情況，研究其對太陽活動水平的響應(yīng).在此基礎(chǔ)上，對這62例事件進行時間序列疊加法處理，分析開始和結(jié)束階段的普遍特征.同時，也對這些相對論電子通量長時間維持在背景通量水平期間，太陽風(fēng)條件和地磁活動水平以及一些其他參數(shù)的特征進行不同類別事件的對比研究.最后，本文結(jié)合相關(guān)的物理機制對這類事件特征的統(tǒng)計結(jié)果做出可能的、合理的物理解釋.

1 數(shù)據(jù)來源與事件定義

本文采用來自O(shè)mni數(shù)據(jù)庫5 min分辨率數(shù)據(jù)來研究太陽風(fēng)參數(shù)的變化情況(包括IMFBz分量、太陽風(fēng)密度、速度和動壓)，和來自WDC(World Data Center)1 h分辨率數(shù)據(jù)來判斷地磁干擾強度(亞暴AE指數(shù)和磁暴Dst指數(shù)).文中使用來自SILSO(Sunspot Index and Long-term Solar Observations)的太陽黑子數(shù)據(jù)來衡量太陽活動水平的高低.

ULF波是一種全球持續(xù)性地磁脈動，在磁層能量、質(zhì)量和動量的輸運過程中起著重要的作用(Zong et al., 2017).ULF波動尤其是與輻射帶高能電子漂移運動周期相近的Pc5頻段波動和粒子的相互作用一直被認為是輻射帶電子加速的主要機制之一(Rostoker et al., 1998；李柳元等，2005；宗秋剛等，2011，2013).Regi(2016)通過分析2006—2010年間ULF波在Pc5頻段波動功率的漲落發(fā)現(xiàn)，ULF波動功率在約2天左右的時間延遲上與地球同步軌道高能電子通量變化有強烈的相關(guān)性.Friedel等(2002)也展示相關(guān)的統(tǒng)計結(jié)果，表明磁暴期間至少持續(xù)12小時足夠強的ULF波功率，是隨后地球同步軌道相對論電子增強的最有效指標(biāo).此外，與分布范圍有限并且不長期存在的波動如合聲波、Electromagnetic Ion Cyclotron(EMIC)波等相比，ULF波動有全球廣泛分布的特性和可持續(xù)觀測的優(yōu)點，利于統(tǒng)計.因此，本文引入Kozyreva等(2007)和Pilipenko等(2017)介紹的ULF波指數(shù)(Pc5頻段)，來研究ULF波強度可能對相對論電子通量產(chǎn)生的影響.為了更好地對應(yīng)全球ULF波動強度，避免受衛(wèi)星磁地方時等因素的影響，本文僅采用地面ULF波指數(shù)，即從北半球幾十個地磁臺站數(shù)據(jù)重新計算的代表全球ULF波活動強度的指數(shù).此指數(shù)相比其他如同步軌道ULF波指數(shù)和行星際ULF波指數(shù)能更好地反映電子通量的變化(Pilipenko et al., 2017).

受不同衛(wèi)星發(fā)射、運行時間的限制，也為了得到更多有效的長期倒空事件，本文主要研究相對論電子通量在地球同步軌道上的變化，并采用地球同步軌道衛(wèi)星GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite)對>2 MeV能段電子通量的觀測結(jié)果.其中，我們使用GOES-10，GOES-11和GOES-13衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計2000—2005年，2006—2010年和2011—2016年相對論電子通量長期倒空事件.受Pinto等(2018)工作的啟發(fā)，我們定義相對論電子通量長期倒空事件為日均通量下降至30 cm-2·sr-2·s-1以下，且持續(xù)時間達3天以上，通量無明顯隨磁地方時變化的現(xiàn)象.與Pinto等(2018)定義日均通量下降至10 cm-2·sr-2·s-1不同，我們放寬這個閾值至30 cm-2·sr-2·s-1，是因為Pinto等(2018)采用5 min原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計2007年前的相對論電子通量長期倒空事件，而我們?yōu)榱耸褂肎OES-13優(yōu)化過的1 min科學(xué)數(shù)據(jù)，在文中采用1 min原始數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計.受儀器精度、計數(shù)等的影響，2000—2010年間，5 min原始數(shù)據(jù)計算得到日均通量明顯較1 min原始數(shù)據(jù)計算得到日均通量低(約低10～20 cm-2·sr-2·s-1)；而2011—2016年間，在使用GOES-13衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計時，二者相差不大，并且在此期間無論是5 min原始數(shù)據(jù)還是1 min原始數(shù)據(jù)計算得到的日均通量都沒有小于10 cm-2·sr-2·s-1的情況.因此，我們在Pinto等(2018)工作的基礎(chǔ)上做了優(yōu)化，并統(tǒng)計了跨度約1.5個太陽活動周更長時間的事例.在這種篩選條件下，相對論電子通量降低至衛(wèi)星背景觀測通量水平，即相對論電子近乎完全從地球同步軌道上損失.

圖1 相對論電子通量長期倒空事件的示意圖Fig.1 The identification of a long-term relativistic electron flux dropout

圖1為相對論電子通量長期倒空事件示意圖.圖中是2005年10月19日03 ∶ 00至10月28日16 ∶ 00期間>2 MeV電子通量的變化，紅色部分則為我們所選取的相對論電子通量長期倒空事件.我們以通量開始下降后達到通量最小值的時間點為事件開始的時間點，以通量開始顯著增加并在隨后的2日內(nèi)有明顯日變化現(xiàn)象為事件結(jié)束的時間點.在排除衛(wèi)星變軌等原因?qū)е码娮油繑?shù)據(jù)缺失和某些缺乏連續(xù)的、有效的太陽風(fēng)參數(shù)觀測數(shù)據(jù)的事件后，我們在2000—2016年間共挑選出62例相對論電子通量長期倒空事件，其具體的起止時間和持續(xù)時間見表1.

表1 2000—2016年間地球同步軌道相對論電子通量長期倒空事件列表Table 1 List of long-term dropouts of relativistic electron flux in geosynchronous orbit from 2000 to 2016

續(xù)表1

2 相對論電子通量長期倒空事件在太陽活動周內(nèi)的年分布特征

圖2所示為表1中列出的62例相對論電子通量長期倒空事件在不同年份的分布情況.圖中紅色柱狀圖為每年發(fā)生的長期倒空事件持續(xù)時間總和.這里對于起止時間分布在不同年份的事件，則按照其在不同年份實際持續(xù)的時間分別統(tǒng)計.圖中柱狀圖上方的黑色數(shù)字表示每年發(fā)生事件的頻次，以事件開始的時間做統(tǒng)計.藍色折線是以太陽黑子數(shù)年平均值表示的太陽活動年平均水平的變化曲線，其中2000—2007年屬于第23太陽活動周，2008—2016年屬于第24太陽活動周.本文共統(tǒng)計從第23太陽活動周峰年至第24太陽活動周下降期約1.5個太陽活動周期共17年內(nèi)的相對論電子通量長期倒空事件.

從圖中可以看出，第23太陽活動周下降期的2003—2007年與第24太陽活動周上升期的2010—2014年相比，總體上在同等太陽活動水平條件下，第23太陽活動周下降期的相對論電子通量長期倒空事件持續(xù)時間較短，發(fā)生次數(shù)也較少.這可能是因為在一個太陽活動周的下降期，具有較多的HILDCAA(high-intensity long-duration continuous auroral activity)事件發(fā)生，這種持續(xù)性的高強度亞暴活動有助于相對論電子通量增強(Hajra et al., 2014, 2015; Hajra and Tsurutani, 2018)，因此我們統(tǒng)計的長期倒空事件就會減少甚至沒有發(fā)生.

2009年是我們觀測到長期倒空事件總持續(xù)時間最長的一年，累計持續(xù)時間共約5000小時.這表示在2009年這一整年內(nèi)，地球同步軌道上有一半以上的時間都處于相對論電子通量倒空狀態(tài)，具體的原因Lee等(2013)已經(jīng)做出了詳細的物理解釋，并且我們在引言部分也介紹了他們的工作，故在此不做過多的解釋說明.

總持續(xù)時間緊隨2009年，并且發(fā)生頻次最高的是2014年.這一年雖然是第24太陽活動周峰年，但我們?nèi)匀挥^測到許多長期倒空事件，這說明太陽活動水平較高不代表沒有長期倒空事件發(fā)生；與之相對的，在太陽活動水平較低的2008年，我們并沒有觀測到類似2009年長時間的通量倒空現(xiàn)象.綜上所述，在太陽活動周的下降期，相對論電子通量倒空現(xiàn)象較少發(fā)生；但在太陽活動周峰年和谷年，太陽活動水平的高低并沒有完全決定是否容易出現(xiàn)相對論電子通量倒空現(xiàn)象.

3 相對論電子通量長期倒空事件產(chǎn)生條件和結(jié)束條件的統(tǒng)計特征

這一節(jié)，我們簡要對前述的62例事件開始和結(jié)束階段的IMFBz分量、太陽風(fēng)速度、密度、動壓、向陽面磁層頂高度MP(magnetopause standoff distance)、等離子體層頂高度LPP(plasmapause position)、亞暴AE指數(shù)、磁暴環(huán)電流Dst指數(shù)和ULF波指數(shù)進行統(tǒng)計研究，發(fā)現(xiàn)并討論其開始、結(jié)束階段的普遍特征以及可能導(dǎo)致該特征產(chǎn)生的相關(guān)物理機制.其中，采用Shue等(1997)的方法計算向陽面磁層頂高度；采用Liu等(2015)的方法計算等離子體層頂高度.由于Liu等(2015)的方法無法重現(xiàn)等離子體層羽狀結(jié)構(gòu)，在昏側(cè)的誤差較大，我們使用24個MLT區(qū)域的平均值來反映等離子體層頂?shù)恼w變化.經(jīng)驗證，在MLT=6、12和24處等離子體層頂?shù)淖兓厔菖c所有MLT區(qū)域等離子體層頂平均值的變化趨勢保持一致，區(qū)別在于：當(dāng)MLT=6和12時，等離子體層頂?shù)母叨缺绕骄德缘?；?dāng)MLT=24時，等離子體層頂?shù)母叨缺绕骄德愿?

圖2 相對論電子通量長期倒空事件在2000—2016年間的年分布特征Fig.2 The annual distribution of long-term dropouts of relativistic electron flux from 2000 to 2016

我們采用相對論電子通量下降到最低值時為事件開始階段時間序列疊加的時間0點，以通量從背景水平開始增長時為事件結(jié)束階段時間序列疊加的時間0點，并分別統(tǒng)計兩個階段各種參數(shù)的變化情況，具體如圖3所示.圖中藍色曲線為上下四分位點，紅色曲線為中位數(shù).此外，我們也檢驗了平均值的變化，但受某些極高值的影響，部分參數(shù)的平均值會高于上四分位點，并不能很好地反映整體的變化水平，因此本文僅展示中位數(shù)的變化.

從圖3a的相對論電子通量倒空事件開始階段的特征圖可以看出，太陽風(fēng)速度一直維持在300～400 km·s-1之間，僅在事件開始前幾小時略微增加，但整體變化比較平穩(wěn).太陽風(fēng)密度和動壓在事件發(fā)生前呈現(xiàn)顯著增加趨勢，中位數(shù)最大值出現(xiàn)在事件開始前3～4 h附近并且約是事件發(fā)生前3天數(shù)值的兩倍.這樣高值的太陽風(fēng)密度和動壓一直持續(xù)到事件發(fā)生后半日才恢復(fù)到平穩(wěn)的狀態(tài).與之相對應(yīng)的向陽面磁層頂高度在太陽風(fēng)動壓顯著增加時向靠近地球的方向運動，其中位數(shù)在事件開始時達到最小值，由事件開始前3天約11Re高度收縮至10Re以下.

GSM坐標(biāo)系下IMFBz分量的中位數(shù)在事件開始前數(shù)小時有明顯北向轉(zhuǎn)南向的過程，在事件開始后數(shù)小時內(nèi)Bz分量逐漸由南向轉(zhuǎn)到北向并在此后幾乎一直維持在北向.與之相對應(yīng)的，Dst中位數(shù)在IMFBz分量達到南向最大值時呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，Dst極小值出現(xiàn)在事件開始后約10 h左右.此外，在事件開始這一階段，AE指數(shù)和ULF波指數(shù)僅在事件開始前后數(shù)小時內(nèi)有明顯的增加，但整體增長的幅度并不高.

在以上太陽風(fēng)活動水平和地磁活動水平條件下，等離子體層頂高度在事件發(fā)生前幾乎一直維持在高L區(qū)域，其中位數(shù)高于6Re，部分時刻上四分位點等離子體層頂位置甚至超過地球同步軌道高度.這種狀態(tài)一直持續(xù)到事件發(fā)生前數(shù)小時，等離子體層頂才逐漸向內(nèi)收縮，并在事件開始后幾小時又開始緩慢向外擴展.雖然本文相對論電子通量長期倒空事件與Pinto等(2018)的選取標(biāo)準(zhǔn)略有不同并且統(tǒng)計的事件數(shù)也更多，但得出了與Pinto等(2018)相似的結(jié)論，即事件開始時顯著增加的太陽風(fēng)動壓和密度，較弱的太陽風(fēng)速度和IMFBz分量中位數(shù)在事件發(fā)生前轉(zhuǎn)南向隨后一直維持在北向.我們在前人工作的基礎(chǔ)上增加了更多的參數(shù)，這些參數(shù)在事件開始、結(jié)束階段呈現(xiàn)不同的變化，為研究相對論電子通量長期倒空現(xiàn)象提供了更多相關(guān)的統(tǒng)計理論支持，也可以為未來復(fù)雜的輻射帶建模等提供一些參考依據(jù).

圖3 基于時間序列疊加法的62例相對論電子通量長期倒空事件開始(a)和結(jié)束階段(b)的不同特征Fig.3 Superposed epoch analysis results of the start time (a) and end time (b) of all 62 long-term dropouts of relativistic electron fluxes

“磁層頂陰影”(magnetopause shadowing)是輻射帶電子真實損失機制的一種.當(dāng)太陽風(fēng)動壓增加時，向內(nèi)壓縮的磁層頂會導(dǎo)致一些原來處于閉合的漂移軌道上的粒子運動軌跡發(fā)生改變，沿著開放的磁力線逃逸并從輻射帶中大量流失(Shprits et al., 2006; Turner et al., 2012b; Kang et al., 2018).本文統(tǒng)計的相對論電子通量長期倒空事件開始前幾小時，明顯增加的太陽風(fēng)動壓和密度引起向陽面磁層頂向靠近地球方向運動，說明了某些事例相對論電子通量損失的原因與電子向外的徑向擴散運動并最終在壓縮的磁層頂處永久損失有關(guān).

IMFBz分量南向時，磁層頂重聯(lián)，大量粒子注入使環(huán)電流強度增強，當(dāng)增強的環(huán)電流粒子產(chǎn)生的磁場與地磁場疊加時，地磁水平分量減小，磁暴發(fā)生.圖3a中IMFBz分量南向達到最大值后，Dst指數(shù)的下降則反映了這一點.在磁暴主相期間，環(huán)電流的增強導(dǎo)致地磁場減小，電子為了保持第三絕熱不變量守恒會向著遠離地心的方向徑向運動.當(dāng)這些電子運動到較弱的磁場時，為了保持第一絕熱不變量守恒，電子的能量會降低.因此，指定能段電子在固定的位置會觀測到通量減小的現(xiàn)象(Kim and Chan, 1997).Kim 和 Chan(1997)通過計算確定磁暴期間三種絕熱不變量都保持守恒，證明了這個過程是一種完全的絕熱作用.本文的研究結(jié)果顯示，事件發(fā)生前Dst指數(shù)的下降表明某些事例與磁暴有關(guān)，說明這些事例部分電子通量的降低可能是由“Dst效應(yīng)”造成的.

但是，“Dst效應(yīng)”是一種完全的絕熱作用，相對論電子通量的降低不代表其真實地從輻射帶中損失.而磁暴發(fā)生期間，溫度各向異性的環(huán)電流離子的注入利于EMIC波的激發(fā)，EMIC波與高能電子相互作用使其沉降到地球大氣進而從輻射帶中永久損失是輻射帶快速損失相對論電子的主要機制(Millan and Thorne, 2007; Summers et al., 2007; Shprits et al., 2008).EMIC波主要分布在等離子體層內(nèi)昏側(cè)層頂附近和等離子體羽狀結(jié)構(gòu)中(Summers et al., 2007).地磁水平活躍時，EMIC波在12—18 MLT區(qū)域最為常見(Meredith et al., 2014).本文對相對論電子通量長期倒空事件開始和結(jié)束時間0點的MLT分布進行了統(tǒng)計，如圖4所示.從圖4a中可以看出，事件開始時刻主要集中在午后至子夜MLT=14—22區(qū)域，這一區(qū)域剛經(jīng)過正午向陽面磁層頂被顯著壓縮的位置，也覆蓋了EMIC波的主要分布區(qū)域.Green等(2004)統(tǒng)計了同步軌道上相對論電子通量快速下降的區(qū)域，也呈現(xiàn)出在昏側(cè)分布最為顯著的特征.Xiang等(2017)列舉了三類輻射帶電子通量倒空事件，其主要的損失機制可以分為三種：磁層頂陰影占主導(dǎo)地位、EMIC波散射占主導(dǎo)地位以及二者綜合作用的損失機制.隨后他們利用Van Allen Probes上的相空間密度PSD(phase space density)數(shù)據(jù)統(tǒng)計了4年間輻射帶電子通量倒空事件，結(jié)果顯示EMIC波散射電子占主導(dǎo)地位的電子通量損失機制主要發(fā)生在低L*區(qū)域，并通常伴有活躍的地磁活動水平和太陽風(fēng)條件；在略高的L*區(qū)域，輻射帶電子通量損失更有可能是EMIC波散射和向外的徑向擴散綜合作用導(dǎo)致的(Xiang et al., 2018).圖3a中，等離子體層頂在事件開始前幾乎一直維持在高L區(qū)域，部分時刻上四分位點位置可以超過地球同步軌道高度，這表明在某些事件，EMIC波對相對論電子的散射損失作用可能發(fā)生在高L區(qū)域甚至地球同步軌道高度.結(jié)合磁層頂高度下四分位點位置并沒有低至地球同步軌道高度，以及主要分布在午后至子夜MLT區(qū)域的事件開始0點(圖4a)，表明地球同步軌道高度上，相對論電子的損失更有可能是向外的徑向擴散作用和EMIC波在高L區(qū)域的投擲角散射引起的，但具體哪個機制占主導(dǎo)地位，需要具體事例具體分析.

圖3b所示為相對論電子通量長期倒空現(xiàn)象結(jié)束階段的特征圖.與開始階段不同的是，在事件結(jié)束前后三天，并沒有觀察到明顯的IMFBz分量反轉(zhuǎn)，也沒有觀察到Dst指數(shù)大幅下降的現(xiàn)象.這說明相對論電子通量結(jié)束長期倒空狀態(tài)時，磁暴的發(fā)生不是必要條件.此外，盡管太陽風(fēng)動壓和密度的上四分位點在事件結(jié)束前1天有略微的增強，但其中位數(shù)并沒有顯著改變；磁層頂高度的下四分位點在太陽風(fēng)動壓和密度略微增強時，向靠近地球方向移動，但移動的幅度并不大，并且很快就恢復(fù)到原來的水平.

事件結(jié)束階段的一個顯著特點就是太陽風(fēng)速度的增加，其中位數(shù)由事件結(jié)束前3天約350 km·s-1增加到事件結(jié)束后3天400 km·s-1以上，速度的上四分位點在事件結(jié)束前幾小時有著明顯的上升趨勢，并一直保持較高水平直到事件結(jié)束后2天才有輕微的下降.事件結(jié)束階段的另一個特點就是，長時間的亞暴活動和ULF波活動.AE指數(shù)和ULF波指數(shù)在事件結(jié)束前1天就開始增強，并在事件結(jié)束后半日內(nèi)仍然維持在較高水平.盡管AE指數(shù)的中位數(shù)在事件開始階段的最大值(圖3a，約200 nT)和事件結(jié)束階段的最大值(圖3b，約200 nT)近乎相等，但在事件結(jié)束階段AE指數(shù)有著近1天半的時間都處于較高水平.而ULF波指數(shù)中位數(shù)在事件結(jié)束階段的最大值(圖3b，約20 nT)，比事件開始階段的最大值(圖3a，約15 nT)明顯高.等離子體層頂高度在事件結(jié)束前1天就開始向內(nèi)收縮，隨后一直維持在較低高度上，直到事件結(jié)束后3天，其上四分位點也幾乎沒有超過6Re高度.

Iles等(2002)通過統(tǒng)計相對論電子通量對磁暴響應(yīng)不同的三類事件，得出在磁暴恢復(fù)相期間，高速的太陽風(fēng)速度和IMFBz分量在0附近波動或主要是南向分布時，是相對論電子顯著增強的重要條件.類似的，O′Brien等(2001)也提到了磁暴后相對論電子通量的增加，其實更取決于高速的太陽風(fēng)和恢復(fù)相期間長時間的ULF波活動.本文的研究結(jié)果也印證了高速太陽風(fēng)會打破相對論電子通量倒空現(xiàn)象，即相對論電子通量的增加，正如圖3b所示.

圖4 相對論電子通量長期倒空事件開始(a)和結(jié)束(b)時刻MLT分布特征Fig.4 MLT distributions of the start time (a) and end time (b) of relativistic electron flux long-term dropouts

亞暴活動也是相對論電子通量增加的一個重要原因.亞暴注入的源粒子群(數(shù)十keV)有助于合聲波的增長，當(dāng)種子粒子(數(shù)百keV)與合聲波相互作用時，可以被加速到更高能量甚至相對論電子能量水平(Jaynes et al., 2015).一些強亞暴過程甚至可以直接向輻射帶注入MeV能量的電子(Dai et al., 2014, 2015).合聲波分布在等離子體層外側(cè)午夜至下午磁地方時區(qū)域(Summers et al., 2007).從圖4b中可以看出，事件結(jié)束時間0點主要分布在MLT=0—9午夜后至晨側(cè)區(qū)域，當(dāng)?shù)入x子體層向內(nèi)收縮時，等離子體層外側(cè)此區(qū)域的合聲波可以在廣闊的L范圍內(nèi)加速由磁尾注入的粒子至更高能量.

與亞暴發(fā)生期間增強的合聲波對電子的局地加速機制不同的是，ULF波動可以通過漂移-共振加速增強全球的相對論電子通量，因為ULF波動中Pc5能段的波動頻率與相對論電子的漂移頻率接近(Green and Kivelson, 2004; 宗秋剛等, 2013; Su et al., 2015; Regi, 2016; Li et al., 2018).由磁尾注入的電子可以在午夜至晨側(cè)區(qū)域通過合聲波加速到較高能量，也可以通過與ULF波漂移共振繼續(xù)加速，并逐漸擴散至所有MLT區(qū)域，因此，相對論電子通量長期倒空現(xiàn)象得以恢復(fù).本文所展示的在事件結(jié)束階段長達一天半時間內(nèi)高強度亞暴活動和ULF波活動與事件開始階段只有幾小時的活躍水平相比，可以為相對論電子通量的增長提供必要的源和加速機制，故而相對論電子通量從長期倒空狀態(tài)恢復(fù)時常伴隨著較強的亞暴活動和ULF波活動.

4 維持相對論電子通量長期倒空現(xiàn)象的條件及其與磁暴強度的關(guān)系

前文描述了相對論電子通量長期倒空事件開始和結(jié)束階段的不同特征.在開始階段，磁層頂向內(nèi)收縮，等離子體層頂一直維持在較高的高度上，向外的徑向擴散結(jié)合磁層頂損失以及磁暴過程中波粒相互作用散射電子等損失機制占主導(dǎo)地位，相對論電子通量下降至背景通量水平.在結(jié)束階段，長時間的亞暴活動和ULF波活動等能為相對論電子的產(chǎn)生提供足夠的粒子源和加速過程，因此相對論電子通量可以從背景通量水平顯著增長.這一節(jié)則主要研究相對論電子可以持續(xù)3天以上時間維持在背景通量水平這一階段的特征.

4.1 有無磁暴發(fā)生事件的選取標(biāo)準(zhǔn)

由于磁暴發(fā)生期間的各種物理機制比較復(fù)雜，也為了研究有磁暴發(fā)生和無磁暴發(fā)生事件是否存在顯著的區(qū)別，本文把事件發(fā)生期間的過程分為兩類，即有磁暴發(fā)生事件和無磁暴發(fā)生事件.通常，Dst<-200 nT是大磁暴，-200≤Dst<-100 nT是強磁暴，-100 ≤Dst<-50 nT是中等磁暴，-50 ≤Dst<-30 nT是小磁暴(Gonzalez et al., 1999).我們以磁暴重要的兩個階段，即主相和恢復(fù)相(磁暴不同相位的劃分依照Partamies等(2013)的標(biāo)準(zhǔn))都出現(xiàn)在相對論電子通量長期倒空事件期間定義為有磁暴發(fā)生事件，如圖5a所示(圖5中所示參數(shù)與圖3中所示參數(shù)一致).圖中陰影區(qū)域表示相對論電子通量長期倒空現(xiàn)象.而如圖5b所示，盡管在9月12日事件開始前有中等磁暴發(fā)生，但當(dāng)相對論電子通量開始降低至背景通量水平時處于磁暴恢復(fù)相階段，其余陰影部分并沒有磁暴發(fā)生，我們把這類事件定義為無磁暴發(fā)生事件.關(guān)于圖5b所示的2014年9月相對論電子通量長期倒空事件，Alves等(2016)已進行了相關(guān)研究，這個事件的產(chǎn)生是由在磁層深處L≤5區(qū)域電子通過共振波驅(qū)動的散射損失和在L>5區(qū)域絕熱和非絕熱作用導(dǎo)致的遠離地心的徑向輸送過程將電子傳輸?shù)饺諅?cè)被壓縮的磁層區(qū)域，最終由磁層頂損失導(dǎo)致的.

4.2 有無磁暴發(fā)生事件期間不同參數(shù)的統(tǒng)計對比

我們把表1中的62例事件按4.1節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)分類后，共得到18個有磁暴發(fā)生事件和44個無磁暴發(fā)生事件.為了更好的歸一化比較，并且清晰地陳列不同參數(shù)在不同數(shù)值區(qū)間的分布情況，我們以參數(shù)的具體數(shù)值區(qū)間為橫軸，以在不同區(qū)間范圍內(nèi)的事件個數(shù)占這類事件總數(shù)的百分比為縱軸，并對事件發(fā)生期間的太陽風(fēng)速度、密度、動壓、磁層頂高度、等離子體層頂高度、AE指數(shù)和ULF波指數(shù)的平均值和最值(除磁層頂高度為最小值外，其余均為最大值)分別統(tǒng)計比較，具體如圖6所示.圖中紅色柱狀圖表示有磁暴發(fā)生事件，藍色柱狀圖為無磁暴發(fā)生事件，每張小圖不同顏色的垂直線則表示這一類事件在不同參數(shù)統(tǒng)計下的平均水平(即單類事件在各個參數(shù)下的平均值).

圖5 2002年2月有磁暴相對論電子通量長期倒空事件(a)和2014年9月無磁暴相對論電子通量長期倒空事件(b)Fig.5 Example of long-term dropout of relativistic electron flux with storm in February 2002 and without storm in September 2014

圖6 有無磁暴發(fā)生事件期間各類參數(shù)的統(tǒng)計對比圖Fig.6 Comparison of various parameters during events with or without magnetic storm

如圖6a1所示，有磁暴發(fā)生事件期間太陽風(fēng)速度平均值的平均水平(垂直紅線)為377 km·s-1，與無磁暴發(fā)生事件期間太陽風(fēng)速度平均值的平均水平(垂直藍線)376 km·s-1幾乎一致；這兩類事件期間太陽風(fēng)速最大值的平均水平相差也并不大，分別為536 km·s-1和522 km·s-1.這說明這兩類事件在太陽風(fēng)速度上并沒有較大差距，盡管大部分事件都有最高風(fēng)速在400～600 km·s-1范圍內(nèi)，但整體上太陽風(fēng)速度比較低，事件發(fā)生期間太陽風(fēng)速度平均值幾乎都低于450 km·s-1以下.從圖6b1—b2、c1—c2可以看出，在太陽風(fēng)密度和動壓的平均值和最大值方面，有、無磁暴發(fā)生事件期間的平均水平相近，兩類事件在不同參數(shù)的不同區(qū)間分布情況也類似，只是有磁暴發(fā)生事件的平均水平比無磁暴發(fā)生事件的平均水平略高.圖6f1—f2、g1—g2關(guān)于AE指數(shù)和ULF波指數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果也類似，即有磁暴發(fā)生事件的平均水平略高于無磁暴發(fā)生事件的平均水平.只有如圖6d1—d2、e1—e2所示的磁層頂高度與等離子體層頂高度的統(tǒng)計結(jié)果中，無磁暴發(fā)生事件期間的平均水平才比有磁暴發(fā)生事件期間的平均水平略高.這是因為沒有磁暴發(fā)生時，磁層相比地磁水平活躍時向外擴展，因此磁層頂高度與等離子體層頂高度會較地磁水平活躍時偏高.

綜上所述，相對論電子通量長期倒空現(xiàn)象發(fā)生時，主要有兩種情況：第一種，通量倒空時有磁暴發(fā)生，太陽風(fēng)速度、密度、動壓都相比平靜時略高，與亞暴活動有關(guān)的AE指數(shù)偏高，ULF波指數(shù)也偏高.這類事件可能是由于磁暴發(fā)生期間，電子的損失機制(例如：動壓增強導(dǎo)致的磁層頂損失，磁暴期間波粒相互作用投擲角散射損失等)與亞暴注入、ULF波加速粒子機制等保持了一個動態(tài)平衡，所以相對論電子通量仍然可以維持在背景通量水平.第二種，與平靜的太陽風(fēng)條件和較弱的地磁活動水平、較少的ULF波活動水平相關(guān)，這期間磁層頂高度與等離子體層頂高度都相比地磁水平活躍時偏高.這類事件可能是因為太陽風(fēng)擾動較少，地球輻射帶一直保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)，并且缺乏可以使相對論電子通量增長的源，故而這種情況下，相對論電子通量也可以一直保持在較低水平.盡管在不同種類的相對論電子通量長期倒空事件期間，不同參數(shù)不同數(shù)值區(qū)間的分布有些許差異，但這兩類事件在各個參數(shù)的平均水平十分相近，沒有較大差距，磁暴發(fā)生與否究竟與相對論電子通量長期倒空現(xiàn)象是否有關(guān)，我們將在4.3節(jié)繼續(xù)探討.

4.3 磁暴強度與維持相對論電子通量長期倒空現(xiàn)象的關(guān)系

在引言部分，我們簡述了磁暴會對相對論電子通量產(chǎn)生三種影響，即增長、損失和近乎保持不變(Reeves et al., 2003; Anderson et al., 2015)，并且在Kim等(2015)文中也提到了同步軌道電子通量的增強似乎與磁暴無關(guān)，許多研究都表明磁暴并不是引起相對論電子通量變化的一個有效指標(biāo).但是，受Anderson等(2015)研究的小磁暴對相對論電子通量的損失能力要比中、高磁暴略強這一結(jié)果的啟發(fā)，我們也對相對論電子通量能維持長期倒空狀態(tài)期間磁暴的強度進行相關(guān)研究，來分析磁暴強度與維持這種長期倒空現(xiàn)象可能的聯(lián)系.

為了對比事件開始、結(jié)束階段與事件發(fā)生期間出現(xiàn)磁暴的異同，我們統(tǒng)計了18例有磁暴發(fā)生事件和44例無磁暴發(fā)生事件，對事件開始、結(jié)束和相對論電子通量持續(xù)倒空期間三個不同時間階段出現(xiàn)的磁暴強度(S：小磁暴；M：中等磁暴；I：強磁暴和大磁暴)和相位(M：磁暴主相；R：磁暴恢復(fù)相)進行統(tǒng)計，如表2所示.從表中可以看出，無論是有磁暴發(fā)生事件還是無磁暴發(fā)生事件，在事件開始和結(jié)束階段，都有部分事例與磁暴過程相關(guān).并且，這兩類事件在事件開始時，大部分事例處于磁暴主相階段；在事件結(jié)束時，大部分事例處于磁暴恢復(fù)相階段.這是因為磁暴主相期間，與絕熱不變量有關(guān)的絕熱損失、沉降至地球大氣和磁層頂損失的非絕熱損失使相對論電子通量降低；在磁暴恢復(fù)相階段，通過亞暴活動和大規(guī)模太陽風(fēng)活動激發(fā)的感應(yīng)電場引起電子注入，伴隨著絕熱和非絕熱加速作用使相對論電子通量增長(Lazutin et al., 2018).

表2 兩類相對論電子通量長期倒空事件開始、結(jié)束及事件期間磁暴強度、相位的統(tǒng)計Table 2 The intensity and phase of geomagnetic storms at the start time, end time and during the event occurred between two types of relativistic electron long-term dropouts

縱觀這三個階段發(fā)生的磁暴強度可以看出，幾乎所有的磁暴都是小、中強度，并且小磁暴發(fā)生的次數(shù)也遠比中等磁暴高.特別是在相對論電子通量維持長期倒空狀態(tài)時，沒有一例大磁暴事件發(fā)生.雖然磁暴會引起相對論電子通量增加、減少或者保持不變，無法單從磁暴發(fā)生與否的角度判斷相對論電子通量的走向，但是我們的研究結(jié)果表明，相對論電子通量的變化在一定的程度上與磁暴的相位和磁暴的強度有關(guān).此外，相對論電子通量維持長期倒空時，磁暴的強度并不高，這也是為什么我們4.2節(jié)統(tǒng)計的有磁暴發(fā)生事件和無磁暴發(fā)生事件在不同參數(shù)的平均水平相差不大的原因.

磁暴效應(yīng)可以由兩種日地關(guān)系過程引發(fā)，一種是日冕物質(zhì)拋射(CME)驅(qū)動的磁暴，另一種是共轉(zhuǎn)相互作用區(qū)(CIR)驅(qū)動的磁暴.大磁暴一般都是由CME驅(qū)動的，其磁暴主相的形成是由南向的IMF導(dǎo)致的，恢復(fù)相通常比較短暫；CIR驅(qū)動的磁暴主相由于IMFBz分量不斷波動所以呈現(xiàn)不規(guī)律性，其強度也比CME驅(qū)動的磁暴小很多，但恢復(fù)相可以從幾天持續(xù)到數(shù)周(Gonzalez et al., 1999; Borovsky and Denton, 2006).袁憧憬和宗秋剛(2011)通過研究磁暴發(fā)生期間外輻射帶1.5～6.0 MeV電子通量的變化發(fā)現(xiàn)，對于CME驅(qū)動的磁暴無論是在主相還是恢復(fù)相期間電子通量在6≤L≤7區(qū)域都出現(xiàn)了增強，而CIR驅(qū)動的磁暴，在相同的區(qū)域并沒有明顯地觀察到增強現(xiàn)象.Yuan和Zong(2012，2019)通過統(tǒng)計大量不同太陽風(fēng)/行星際結(jié)構(gòu)觸發(fā)的磁暴過程期間輻射帶電子總含量指數(shù)(Radiation Belt Content Index, RBC)的變化發(fā)現(xiàn)，CME驅(qū)動的磁暴比CIR驅(qū)動的磁暴能夠更有效地加速整個外輻射帶電子，但在地球同步軌道上CIR驅(qū)動的磁暴比CME驅(qū)動的磁暴可以產(chǎn)生更多的相對論電子，這可能是因為CME驅(qū)動的磁暴在磁暴恢復(fù)相階段外輻射帶向內(nèi)移動，而CIR驅(qū)動的磁暴在磁暴恢復(fù)相階段外輻射帶向外移動.本文的研究結(jié)果表明，在維持同步軌道相對論電子通量長期倒空現(xiàn)象時，沒有強磁暴發(fā)生，可能是因為恢復(fù)相短暫的CME驅(qū)動的大磁暴在磁暴主相和恢復(fù)相間相對論電子通量都會出現(xiàn)增強，不利于相對論電子通量長期維持在背景通量水平.雖然CIR磁暴能夠更有效地產(chǎn)生同步軌道相對論電子，但是并不是所有的磁暴都能加速電子，而我們的研究結(jié)果也僅代表地球同步軌道高度相對論電子通量的變化，不能代表整個外輻射帶相對論電子總含量的變化，也無從對比磁暴對整個外輻射帶產(chǎn)生的影響.當(dāng)整個外輻射帶電子通量倒空時，同步軌道上相對論電子通量會出現(xiàn)倒空現(xiàn)象；當(dāng)輻射帶中心向內(nèi)移動，整個外輻射帶被壓縮時，同步軌道相對論電子通量同樣會出現(xiàn)倒空現(xiàn)象.同步軌道相對論電子通量的變化僅是外輻射帶變化的一部分，整個外輻射帶的形態(tài)以及受磁暴的響應(yīng)仍需深入研究和探討.

5 總結(jié)

本文通過對2000—2016年GOES衛(wèi)星觀測的地球同步軌道上相對論電子通量長期倒空現(xiàn)象進行統(tǒng)計研究，得出主要結(jié)論如下：

(1)相對論電子通量長期倒空事件在太陽活動周不同階段的大尺度時間分布特征表明，在太陽活動周下降期，相對論電子通量長期倒空事件較少甚至沒有發(fā)生；在太陽活動周峰年和谷年，相對論電子通量倒空現(xiàn)象的發(fā)生率與太陽活動水平的高低并沒有直接聯(lián)系.

(2)這類事件開始時，主要發(fā)生在MLT=14—22區(qū)域.這類事件的產(chǎn)生條件，一方面與IMFBz分量在事件發(fā)生前北向轉(zhuǎn)南向，事件發(fā)生后由南向轉(zhuǎn)回北向并一直維持北向，Dst指數(shù)顯著下降發(fā)生磁暴過程，以及長時間擴張的等離子體層有關(guān)；另一方面與事件發(fā)生前后顯著增強太陽風(fēng)動壓、密度，磁層頂向內(nèi)壓縮有關(guān).

(3)當(dāng)電子通量降低至背景通量水平時，為了維持這種現(xiàn)象，無論長期倒空事件發(fā)生期間有無磁暴發(fā)生，都是在較弱的太陽風(fēng)條件、ULF波活動水平條件下.此外，長期倒空現(xiàn)象發(fā)生時，不會出現(xiàn)強磁暴過程，并且小磁暴事件也比中等強度磁暴事件發(fā)生頻率高.

(4)相對論電子通量打破倒空狀態(tài)時，主要發(fā)生在MLT=0—9區(qū)域，通常會伴有長時間的高速太陽風(fēng)條件、長時間的高強度亞暴活動和ULF波活動以及向內(nèi)壓縮的等離子體層.

本文研究的關(guān)注點在相對論電子通量可以長期保持倒空狀態(tài)這一類特殊現(xiàn)象，從統(tǒng)計方面加深了引起相對論電子通量變化的有關(guān)物理機制的認識.本文的研究結(jié)果表明，等離子體層頂和磁層頂高度都有助于判斷相對論電子通量的變化，ULF波指數(shù)可以作為判斷相對論電子通量增長情況的一個有效指標(biāo)，如果后續(xù)的預(yù)報模型可以增加更多的參數(shù)，對加速機制和損失機制強弱的競爭關(guān)系充分建模，會對相對論電子通量的準(zhǔn)確預(yù)報起到一定的促進作用.此外，本文的研究結(jié)果也充分說明了磁暴的強度可能會對相對論電子通量的變化產(chǎn)生影響，但有關(guān)磁暴過程中各種物理機制的綜合分析仍需深入的研究和探討.

致謝特別感謝俄羅斯基礎(chǔ)研究基金會(19-05-00960)、國際空間科學(xué)研究所(ISSI-Beijing No.439)和國家留學(xué)基金的資助.感謝來自NOAA GOES提供的同步軌道相對論電子通量數(shù)據(jù)，OMNI database提供的太陽風(fēng)參數(shù)數(shù)據(jù), WDC提供的地磁指數(shù)和ulf.gcras.ru/網(wǎng)站提供的ULF波指數(shù)數(shù)據(jù).特別感謝加利福尼亞大學(xué)伯克利分校Ilan Roth教授的建議和討論.