吳晗, 陳濤, V. V. Kalegaev, M. I. Panasyuk,段素平, 何兆海, 李仁康
1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心, 空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049 3 莫斯科羅蒙諾索夫國(guó)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
地球輻射帶是圍繞在地球周?chē)某錆M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(yáng)風(fēng)、宇宙線等影響,處于不斷的動(dòng)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(qiáng)到一定程度時(shí),會(huì)對(duì)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(lèi)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(gè)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(lèi)現(xiàn)象發(fā)生時(shí)高能電子通量會(huì)降至極低水平,當(dāng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),可以為衛(wèi)星的安全和長(zhǎng)時(shí)間艙外作業(yè)提供有效的保障(Wrenn, 1995).揭示這類(lèi)現(xiàn)象的發(fā)生規(guī)律既是空間物理學(xué)研究的熱點(diǎn),也可以加深對(duì)電子在輻射帶中加速、損失機(jī)制的認(rèn)識(shí)和理解,為預(yù)報(bào)空間天氣提供強(qiáng)有力的科學(xué)支持.
輻射帶內(nèi)相對(duì)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(shí)間尺度上發(fā)生數(shù)量級(jí)的變化.長(zhǎng)期的變化一般與太陽(yáng)活動(dòng)周不同階段太陽(yáng)活動(dòng)水平高低的影響有關(guān),短期的變化則由太陽(yáng)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(duì)輻射帶電子長(zhǎng)時(shí)間通量倒空現(xiàn)象進(jìn)行了研究.Lee等(2013)通過(guò)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(zhǎng)持續(xù)時(shí)間高達(dá)2個(gè)月.這類(lèi)現(xiàn)象與極弱的太陽(yáng)風(fēng)條件有關(guān),在太陽(yáng)活動(dòng)低年,長(zhǎng)時(shí)間平靜的太陽(yáng)風(fēng)條件大大地減少磁層對(duì)流和注入過(guò)程,導(dǎo)致等離子層膨脹,甚至可以擴(kuò)大到地球同步軌道高度.等離子層內(nèi)的波動(dòng),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(guò)時(shí)間序列疊加法對(duì)發(fā)生在1996—2006年間的21例相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件分析得出:低速太陽(yáng)風(fēng)、突然增加的質(zhì)子密度以及事件開(kāi)始后緊隨的IMFBz分量平均值由南向轉(zhuǎn)為北向的過(guò)程是這一類(lèi)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(huì)發(fā)生變化.典型的變化是:相對(duì)論電子通量會(huì)隨著地磁活動(dòng)的增強(qiáng),在磁暴主相期間下降,隨后在磁暴恢復(fù)相階段增長(zhǎng),在伴隨著高強(qiáng)度持續(xù)性亞暴活動(dòng)的磁暴恢復(fù)相期間相對(duì)論電子通量甚至可能遠(yuǎn)超暴前水平(李柳元等,2006).Onsager等(2002)通過(guò)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(duì)論電子(>2 MeV)并沒(méi)有恢復(fù)到暴前水平.在外輻射帶相對(duì)論電子通量對(duì)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(duì)276個(gè)中、大磁暴前后,外輻射帶相對(duì)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(huì)使同步軌道相對(duì)論電子通量增加,19%的磁暴會(huì)減少同步軌道相對(duì)論電子通量,而28%的磁暴對(duì)同步軌道相對(duì)論電子通量并沒(méi)有產(chǎn)生顯著的變化.近年來(lái),Anderson等(2015)采用和Reeves等(2003)類(lèi)似的方法,同樣研究了1989—2000年間磁暴前后相對(duì)論電子通量的變化情況.不同的是,他們的研究對(duì)象是342個(gè)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(duì)論電子通量增加、減少或者不變.由此可見(jiàn),磁暴發(fā)生與否不能完全決定暴后相對(duì)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(duì)論電子通量產(chǎn)生變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程,即關(guān)注點(diǎn)在相對(duì)論電子通量顯著增強(qiáng)或者損失的階段,一些研究工作也會(huì)采用時(shí)間序列疊加法來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究,或者對(duì)單例事件分析其相關(guān)的物理機(jī)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(duì)相對(duì)論電子通量長(zhǎng)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(jì)特征.首先通過(guò)對(duì)約1.5個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周內(nèi)共62例相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件的持續(xù)時(shí)間和分布情況,研究其對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)水平的響應(yīng).在此基礎(chǔ)上,對(duì)這62例事件進(jìn)行時(shí)間序列疊加法處理,分析開(kāi)始和結(jié)束階段的普遍特征.同時(shí),也對(duì)這些相對(duì)論電子通量長(zhǎng)時(shí)間維持在背景通量水平期間,太陽(yáng)風(fēng)條件和地磁活動(dòng)水平以及一些其他參數(shù)的特征進(jìn)行不同類(lèi)別事件的對(duì)比研究.最后,本文結(jié)合相關(guān)的物理機(jī)制對(duì)這類(lèi)事件特征的統(tǒng)計(jì)結(jié)果做出可能的、合理的物理解釋.
本文采用來(lái)自O(shè)mni數(shù)據(jù)庫(kù)5 min分辨率數(shù)據(jù)來(lái)研究太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)的變化情況(包括IMFBz分量、太陽(yáng)風(fēng)密度、速度和動(dòng)壓),和來(lái)自WDC(World Data Center)1 h分辨率數(shù)據(jù)來(lái)判斷地磁干擾強(qiáng)度(亞暴AE指數(shù)和磁暴Dst指數(shù)).文中使用來(lái)自SILSO(Sunspot Index and Long-term Solar Observations)的太陽(yáng)黑子數(shù)據(jù)來(lái)衡量太陽(yáng)活動(dòng)水平的高低.
ULF波是一種全球持續(xù)性地磁脈動(dòng),在磁層能量、質(zhì)量和動(dòng)量的輸運(yùn)過(guò)程中起著重要的作用(Zong et al., 2017).ULF波動(dòng)尤其是與輻射帶高能電子漂移運(yùn)動(dòng)周期相近的Pc5頻段波動(dòng)和粒子的相互作用一直被認(rèn)為是輻射帶電子加速的主要機(jī)制之一(Rostoker et al., 1998;李柳元等,2005;宗秋剛等,2011,2013).Regi(2016)通過(guò)分析2006—2010年間ULF波在Pc5頻段波動(dòng)功率的漲落發(fā)現(xiàn),ULF波動(dòng)功率在約2天左右的時(shí)間延遲上與地球同步軌道高能電子通量變化有強(qiáng)烈的相關(guān)性.Friedel等(2002)也展示相關(guān)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,表明磁暴期間至少持續(xù)12小時(shí)足夠強(qiáng)的ULF波功率,是隨后地球同步軌道相對(duì)論電子增強(qiáng)的最有效指標(biāo).此外,與分布范圍有限并且不長(zhǎng)期存在的波動(dòng)如合聲波、Electromagnetic Ion Cyclotron(EMIC)波等相比,ULF波動(dòng)有全球廣泛分布的特性和可持續(xù)觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn),利于統(tǒng)計(jì).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(lái)研究ULF波強(qiáng)度可能對(duì)相對(duì)論電子通量產(chǎn)生的影響.為了更好地對(duì)應(yīng)全球ULF波動(dòng)強(qiáng)度,避免受衛(wèi)星磁地方時(shí)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(gè)地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)重新計(jì)算的代表全球ULF波活動(dòng)強(qiáng)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(yùn)行時(shí)間的限制,也為了得到更多有效的長(zhǎng)期倒空事件,本文主要研究相對(duì)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(duì)>2 MeV能段電子通量的觀測(cè)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(jì)2000—2005年,2006—2010年和2011—2016年相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件.受Pinto等(2018)工作的啟發(fā),我們定義相對(duì)論電子通量長(zhǎng)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(shí)間達(dá)3天以上,通量無(wú)明顯隨磁地方時(shí)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(gè)閾值至30 cm-2·sr-2·s-1,是因?yàn)镻into等(2018)采用5 min原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)2007年前的相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件,而我們?yōu)榱耸褂肎OES-13優(yōu)化過(guò)的1 min科學(xué)數(shù)據(jù),在文中采用1 min原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì).受儀器精度、計(jì)數(shù)等的影響,2000—2010年間,5 min原始數(shù)據(jù)計(jì)算得到日均通量明顯較1 min原始數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)時(shí),二者相差不大,并且在此期間無(wú)論是5 min原始數(shù)據(jù)還是1 min原始數(shù)據(jù)計(jì)算得到的日均通量都沒(méi)有小于10 cm-2·sr-2·s-1的情況.因此,我們?cè)赑into等(2018)工作的基礎(chǔ)上做了優(yōu)化,并統(tǒng)計(jì)了跨度約1.5個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周更長(zhǎng)時(shí)間的事例.在這種篩選條件下,相對(duì)論電子通量降低至衛(wèi)星背景觀測(cè)通量水平,即相對(duì)論電子近乎完全從地球同步軌道上損失.
圖1 相對(duì)論電子通量長(zhǎng)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(duì)論電子通量長(zhǎng)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(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件.我們以通量開(kāi)始下降后達(dá)到通量最小值的時(shí)間點(diǎn)為事件開(kāi)始的時(shí)間點(diǎn),以通量開(kāi)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(shí)間點(diǎn).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(yáng)風(fēng)參數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的事件后,我們?cè)?000—2016年間共挑選出62例相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件,其具體的起止時(shí)間和持續(xù)時(shí)間見(jiàn)表1.
表1 2000—2016年間地球同步軌道相對(duì)論電子通量長(zhǎng)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
圖2所示為表1中列出的62例相對(duì)論電子通量長(zhǎng)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(zhǎng)期倒空事件持續(xù)時(shí)間總和.這里對(duì)于起止時(shí)間分布在不同年份的事件,則按照其在不同年份實(shí)際持續(xù)的時(shí)間分別統(tǒng)計(jì).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(kāi)始的時(shí)間做統(tǒng)計(jì).藍(lán)色折線是以太陽(yáng)黑子數(shù)年平均值表示的太陽(yáng)活動(dòng)年平均水平的變化曲線,其中2000—2007年屬于第23太陽(yáng)活動(dòng)周,2008—2016年屬于第24太陽(yáng)活動(dòng)周.本文共統(tǒng)計(jì)從第23太陽(yáng)活動(dòng)周峰年至第24太陽(yáng)活動(dòng)周下降期約1.5個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期共17年內(nèi)的相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件.
從圖中可以看出,第23太陽(yáng)活動(dòng)周下降期的2003—2007年與第24太陽(yáng)活動(dòng)周上升期的2010—2014年相比,總體上在同等太陽(yáng)活動(dòng)水平條件下,第23太陽(yáng)活動(dòng)周下降期的相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件持續(xù)時(shí)間較短,發(fā)生次數(shù)也較少.這可能是因?yàn)樵谝粋€(gè)太陽(yáng)活動(dòng)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(qiáng)度亞暴活動(dòng)有助于相對(duì)論電子通量增強(qiáng)(Hajra et al., 2014, 2015; Hajra and Tsurutani, 2018),因此我們統(tǒng)計(jì)的長(zhǎng)期倒空事件就會(huì)減少甚至沒(méi)有發(fā)生.
2009年是我們觀測(cè)到長(zhǎng)期倒空事件總持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的一年,累計(jì)持續(xù)時(shí)間共約5000小時(shí).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(shí)間都處于相對(duì)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(xì)的物理解釋?zhuān)⑶椅覀冊(cè)谝圆糠忠步榻B了他們的工作,故在此不做過(guò)多的解釋說(shuō)明.
總持續(xù)時(shí)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(yáng)活動(dòng)周峰年,但我們?nèi)匀挥^測(cè)到許多長(zhǎng)期倒空事件,這說(shuō)明太陽(yáng)活動(dòng)水平較高不代表沒(méi)有長(zhǎng)期倒空事件發(fā)生;與之相對(duì)的,在太陽(yáng)活動(dòng)水平較低的2008年,我們并沒(méi)有觀測(cè)到類(lèi)似2009年長(zhǎng)時(shí)間的通量倒空現(xiàn)象.綜上所述,在太陽(yáng)活動(dòng)周的下降期,相對(duì)論電子通量倒空現(xiàn)象較少發(fā)生;但在太陽(yáng)活動(dòng)周峰年和谷年,太陽(yáng)活動(dòng)水平的高低并沒(méi)有完全決定是否容易出現(xiàn)相對(duì)論電子通量倒空現(xiàn)象.
這一節(jié),我們簡(jiǎn)要對(duì)前述的62例事件開(kāi)始和結(jié)束階段的IMFBz分量、太陽(yáng)風(fēng)速度、密度、動(dòng)壓、向陽(yáng)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究,發(fā)現(xiàn)并討論其開(kāi)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(jī)制.其中,采用Shue等(1997)的方法計(jì)算向陽(yáng)面磁層頂高度;采用Liu等(2015)的方法計(jì)算等離子體層頂高度.由于Liu等(2015)的方法無(wú)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(gè)MLT區(qū)域的平均值來(lái)反映等離子體層頂?shù)恼w變化.經(jīng)驗(yàn)證,在MLT=6、12和24處等離子體層頂?shù)淖兓厔?shì)與所有MLT區(qū)域等離子體層頂平均值的變化趨勢(shì)保持一致,區(qū)別在于:當(dāng)MLT=6和12時(shí),等離子體層頂?shù)母叨缺绕骄德缘停划?dāng)MLT=24時(shí),等離子體層頂?shù)母叨缺绕骄德愿?
圖2 相對(duì)論電子通量長(zhǎng)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(duì)論電子通量下降到最低值時(shí)為事件開(kāi)始階段時(shí)間序列疊加的時(shí)間0點(diǎn),以通量從背景水平開(kāi)始增長(zhǎng)時(shí)為事件結(jié)束階段時(shí)間序列疊加的時(shí)間0點(diǎn),并分別統(tǒng)計(jì)兩個(gè)階段各種參數(shù)的變化情況,具體如圖3所示.圖中藍(lán)色曲線為上下四分位點(diǎn),紅色曲線為中位數(shù).此外,我們也檢驗(yàn)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(huì)高于上四分位點(diǎn),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(duì)論電子通量倒空事件開(kāi)始階段的特征圖可以看出,太陽(yáng)風(fēng)速度一直維持在300~400 km·s-1之間,僅在事件開(kāi)始前幾小時(shí)略微增加,但整體變化比較平穩(wěn).太陽(yáng)風(fēng)密度和動(dòng)壓在事件發(fā)生前呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì),中位數(shù)最大值出現(xiàn)在事件開(kāi)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(yáng)風(fēng)密度和動(dòng)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(duì)應(yīng)的向陽(yáng)面磁層頂高度在太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓顯著增加時(shí)向靠近地球的方向運(yùn)動(dòng),其中位數(shù)在事件開(kāi)始時(shí)達(dá)到最小值,由事件開(kāi)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(kāi)始前數(shù)小時(shí)有明顯北向轉(zhuǎn)南向的過(guò)程,在事件開(kāi)始后數(shù)小時(shí)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(duì)應(yīng)的,Dst中位數(shù)在IMFBz分量達(dá)到南向最大值時(shí)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì),Dst極小值出現(xiàn)在事件開(kāi)始后約10 h左右.此外,在事件開(kāi)始這一階段,AE指數(shù)和ULF波指數(shù)僅在事件開(kāi)始前后數(shù)小時(shí)內(nèi)有明顯的增加,但整體增長(zhǎng)的幅度并不高.
在以上太陽(yáng)風(fēng)活動(dòng)水平和地磁活動(dòng)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(shí)刻上四分位點(diǎn)等離子體層頂位置甚至超過(guò)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(shí),等離子體層頂才逐漸向內(nèi)收縮,并在事件開(kāi)始后幾小時(shí)又開(kāi)始緩慢向外擴(kuò)展.雖然本文相對(duì)論電子通量長(zhǎng)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(jì)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(kāi)始時(shí)顯著增加的太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓和密度,較弱的太陽(yáng)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?cè)谇叭斯ぷ鞯幕A(chǔ)上增加了更多的參數(shù),這些參數(shù)在事件開(kāi)始、結(jié)束階段呈現(xiàn)不同的變化,為研究相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空現(xiàn)象提供了更多相關(guān)的統(tǒng)計(jì)理論支持,也可以為未來(lái)復(fù)雜的輻射帶建模等提供一些參考依據(jù).
圖3 基于時(shí)間序列疊加法的62例相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件開(kāi)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(shí)損失機(jī)制的一種.當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓增加時(shí),向內(nèi)壓縮的磁層頂會(huì)導(dǎo)致一些原來(lái)處于閉合的漂移軌道上的粒子運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變,沿著開(kāi)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(jì)的相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件開(kāi)始前幾小時(shí),明顯增加的太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓和密度引起向陽(yáng)面磁層頂向靠近地球方向運(yùn)動(dòng),說(shuō)明了某些事例相對(duì)論電子通量損失的原因與電子向外的徑向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)并最終在壓縮的磁層頂處永久損失有關(guān).
IMFBz分量南向時(shí),磁層頂重聯(lián),大量粒子注入使環(huán)電流強(qiáng)度增強(qiáng),當(dāng)增強(qiáng)的環(huán)電流粒子產(chǎn)生的磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)疊加時(shí),地磁水平分量減小,磁暴發(fā)生.圖3a中IMFBz分量南向達(dá)到最大值后,Dst指數(shù)的下降則反映了這一點(diǎn).在磁暴主相期間,環(huán)電流的增強(qiáng)導(dǎo)致地磁場(chǎng)減小,電子為了保持第三絕熱不變量守恒會(huì)向著遠(yuǎn)離地心的方向徑向運(yùn)動(dòng).當(dāng)這些電子運(yùn)動(dòng)到較弱的磁場(chǎng)時(shí),為了保持第一絕熱不變量守恒,電子的能量會(huì)降低.因此,指定能段電子在固定的位置會(huì)觀測(cè)到通量減小的現(xiàn)象(Kim and Chan, 1997).Kim 和 Chan(1997)通過(guò)計(jì)算確定磁暴期間三種絕熱不變量都保持守恒,證明了這個(gè)過(guò)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(shuō)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(duì)論電子通量的降低不代表其真實(shí)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(jìn)而從輻射帶中永久損失是輻射帶快速損失相對(duì)論電子的主要機(jī)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(shí),EMIC波在12—18 MLT區(qū)域最為常見(jiàn)(Meredith et al., 2014).本文對(duì)相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間0點(diǎn)的MLT分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),如圖4所示.從圖4a中可以看出,事件開(kāi)始時(shí)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(guò)正午向陽(yáng)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(jì)了同步軌道上相對(duì)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(lèi)輻射帶電子通量倒空事件,其主要的損失機(jī)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(jī)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(jì)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(jī)制主要發(fā)生在低L*區(qū)域,并通常伴有活躍的地磁活動(dòng)水平和太陽(yáng)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(kuò)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(kāi)始前幾乎一直維持在高L區(qū)域,部分時(shí)刻上四分位點(diǎn)位置可以超過(guò)地球同步軌道高度,這表明在某些事件,EMIC波對(duì)相對(duì)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(diǎn)位置并沒(méi)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(kāi)始0點(diǎn)(圖4a),表明地球同步軌道高度上,相對(duì)論電子的損失更有可能是向外的徑向擴(kuò)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(gè)機(jī)制占主導(dǎo)地位,需要具體事例具體分析.
圖3b所示為相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空現(xiàn)象結(jié)束階段的特征圖.與開(kāi)始階段不同的是,在事件結(jié)束前后三天,并沒(méi)有觀察到明顯的IMFBz分量反轉(zhuǎn),也沒(méi)有觀察到Dst指數(shù)大幅下降的現(xiàn)象.這說(shuō)明相對(duì)論電子通量結(jié)束長(zhǎng)期倒空狀態(tài)時(shí),磁暴的發(fā)生不是必要條件.此外,盡管太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓和密度的上四分位點(diǎn)在事件結(jié)束前1天有略微的增強(qiáng),但其中位數(shù)并沒(méi)有顯著改變;磁層頂高度的下四分位點(diǎn)在太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓和密度略微增強(qiáng)時(shí),向靠近地球方向移動(dòng),但移動(dòng)的幅度并不大,并且很快就恢復(fù)到原來(lái)的水平.
事件結(jié)束階段的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是太陽(yáng)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(diǎn)在事件結(jié)束前幾小時(shí)有著明顯的上升趨勢(shì),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(gè)特點(diǎn)就是,長(zhǎng)時(shí)間的亞暴活動(dòng)和ULF波活動(dòng).AE指數(shù)和ULF波指數(shù)在事件結(jié)束前1天就開(kāi)始增強(qiáng),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(kāi)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(shí)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(kāi)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(kāi)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(diǎn)也幾乎沒(méi)有超過(guò)6Re高度.
Iles等(2002)通過(guò)統(tǒng)計(jì)相對(duì)論電子通量對(duì)磁暴響應(yīng)不同的三類(lèi)事件,得出在磁暴恢復(fù)相期間,高速的太陽(yáng)風(fēng)速度和IMFBz分量在0附近波動(dòng)或主要是南向分布時(shí),是相對(duì)論電子顯著增強(qiáng)的重要條件.類(lèi)似的,O′Brien等(2001)也提到了磁暴后相對(duì)論電子通量的增加,其實(shí)更取決于高速的太陽(yáng)風(fēng)和恢復(fù)相期間長(zhǎng)時(shí)間的ULF波活動(dòng).本文的研究結(jié)果也印證了高速太陽(yáng)風(fēng)會(huì)打破相對(duì)論電子通量倒空現(xiàn)象,即相對(duì)論電子通量的增加,正如圖3b所示.
圖4 相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件開(kāi)始(a)和結(jié)束(b)時(shí)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(dòng)也是相對(duì)論電子通量增加的一個(gè)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(zhǎng),當(dāng)種子粒子(數(shù)百keV)與合聲波相互作用時(shí),可以被加速到更高能量甚至相對(duì)論電子能量水平(Jaynes et al., 2015).一些強(qiáng)亞暴過(guò)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(shí)區(qū)域(Summers et al., 2007).從圖4b中可以看出,事件結(jié)束時(shí)間0點(diǎn)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(shí),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(qiáng)的合聲波對(duì)電子的局地加速機(jī)制不同的是,ULF波動(dòng)可以通過(guò)漂移-共振加速增強(qiáng)全球的相對(duì)論電子通量,因?yàn)閁LF波動(dòng)中Pc5能段的波動(dòng)頻率與相對(duì)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(guò)合聲波加速到較高能量,也可以通過(guò)與ULF波漂移共振繼續(xù)加速,并逐漸擴(kuò)散至所有MLT區(qū)域,因此,相對(duì)論電子通量長(zhǎng)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(zhǎng)達(dá)一天半時(shí)間內(nèi)高強(qiáng)度亞暴活動(dòng)和ULF波活動(dòng)與事件開(kāi)始階段只有幾小時(shí)的活躍水平相比,可以為相對(duì)論電子通量的增長(zhǎng)提供必要的源和加速機(jī)制,故而相對(duì)論電子通量從長(zhǎng)期倒空狀態(tài)恢復(fù)時(shí)常伴隨著較強(qiáng)的亞暴活動(dòng)和ULF波活動(dòng).
前文描述了相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件開(kāi)始和結(jié)束階段的不同特征.在開(kāi)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(kuò)散結(jié)合磁層頂損失以及磁暴過(guò)程中波粒相互作用散射電子等損失機(jī)制占主導(dǎo)地位,相對(duì)論電子通量下降至背景通量水平.在結(jié)束階段,長(zhǎng)時(shí)間的亞暴活動(dòng)和ULF波活動(dòng)等能為相對(duì)論電子的產(chǎn)生提供足夠的粒子源和加速過(guò)程,因此相對(duì)論電子通量可以從背景通量水平顯著增長(zhǎng).這一節(jié)則主要研究相對(duì)論電子可以持續(xù)3天以上時(shí)間維持在背景通量水平這一階段的特征.
由于磁暴發(fā)生期間的各種物理機(jī)制比較復(fù)雜,也為了研究有磁暴發(fā)生和無(wú)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(guò)程分為兩類(lèi),即有磁暴發(fā)生事件和無(wú)磁暴發(fā)生事件.通常,Dst<-200 nT是大磁暴,-200≤Dst<-100 nT是強(qiáng)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(gè)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(duì)論電子通量長(zhǎng)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(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空現(xiàn)象.而如圖5b所示,盡管在9月12日事件開(kāi)始前有中等磁暴發(fā)生,但當(dāng)相對(duì)論電子通量開(kāi)始降低至背景通量水平時(shí)處于磁暴恢復(fù)相階段,其余陰影部分并沒(méi)有磁暴發(fā)生,我們把這類(lèi)事件定義為無(wú)磁暴發(fā)生事件.關(guān)于圖5b所示的2014年9月相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件,Alves等(2016)已進(jìn)行了相關(guān)研究,這個(gè)事件的產(chǎn)生是由在磁層深處L≤5區(qū)域電子通過(guò)共振波驅(qū)動(dòng)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(yuǎn)離地心的徑向輸送過(guò)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.
我們把表1中的62例事件按4.1節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)后,共得到18個(gè)有磁暴發(fā)生事件和44個(gè)無(wú)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(gè)數(shù)占這類(lèi)事件總數(shù)的百分比為縱軸,并對(duì)事件發(fā)生期間的太陽(yáng)風(fēng)速度、密度、動(dòng)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(jì)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(lán)色柱狀圖為無(wú)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(lèi)事件在不同參數(shù)統(tǒng)計(jì)下的平均水平(即單類(lèi)事件在各個(gè)參數(shù)下的平均值).
圖5 2002年2月有磁暴相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件(a)和2014年9月無(wú)磁暴相對(duì)論電子通量長(zhǎng)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(wú)磁暴發(fā)生事件期間各類(lèi)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)對(duì)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(yáng)風(fēng)速度平均值的平均水平(垂直紅線)為377 km·s-1,與無(wú)磁暴發(fā)生事件期間太陽(yáng)風(fēng)速度平均值的平均水平(垂直藍(lán)線)376 km·s-1幾乎一致;這兩類(lèi)事件期間太陽(yáng)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(shuō)明這兩類(lèi)事件在太陽(yáng)風(fēng)速度上并沒(méi)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(yáng)風(fēng)速度比較低,事件發(fā)生期間太陽(yáng)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(yáng)風(fēng)密度和動(dòng)壓的平均值和最大值方面,有、無(wú)磁暴發(fā)生事件期間的平均水平相近,兩類(lèi)事件在不同參數(shù)的不同區(qū)間分布情況也類(lèi)似,只是有磁暴發(fā)生事件的平均水平比無(wú)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(jì)結(jié)果也類(lèi)似,即有磁暴發(fā)生事件的平均水平略高于無(wú)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(jì)結(jié)果中,無(wú)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?yàn)闆](méi)有磁暴發(fā)生時(shí),磁層相比地磁水平活躍時(shí)向外擴(kuò)展,因此磁層頂高度與等離子體層頂高度會(huì)較地磁水平活躍時(shí)偏高.
綜上所述,相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空現(xiàn)象發(fā)生時(shí),主要有兩種情況:第一種,通量倒空時(shí)有磁暴發(fā)生,太陽(yáng)風(fēng)速度、密度、動(dòng)壓都相比平靜時(shí)略高,與亞暴活動(dòng)有關(guān)的AE指數(shù)偏高,ULF波指數(shù)也偏高.這類(lèi)事件可能是由于磁暴發(fā)生期間,電子的損失機(jī)制(例如:動(dòng)壓增強(qiáng)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(jī)制等保持了一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡,所以相對(duì)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(yáng)風(fēng)條件和較弱的地磁活動(dòng)水平、較少的ULF波活動(dòng)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(shí)偏高.這類(lèi)事件可能是因?yàn)樘?yáng)風(fēng)擾動(dòng)較少,地球輻射帶一直保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),并且缺乏可以使相對(duì)論電子通量增長(zhǎng)的源,故而這種情況下,相對(duì)論電子通量也可以一直保持在較低水平.盡管在不同種類(lèi)的相對(duì)論電子通量長(zhǎng)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(lèi)事件在各個(gè)參數(shù)的平均水平十分相近,沒(méi)有較大差距,磁暴發(fā)生與否究竟與相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空現(xiàn)象是否有關(guān),我們將在4.3節(jié)繼續(xù)探討.
在引言部分,我們簡(jiǎn)述了磁暴會(huì)對(duì)相對(duì)論電子通量產(chǎn)生三種影響,即增長(zhǎng)、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(qiáng)似乎與磁暴無(wú)關(guān),許多研究都表明磁暴并不是引起相對(duì)論電子通量變化的一個(gè)有效指標(biāo).但是,受Anderson等(2015)研究的小磁暴對(duì)相對(duì)論電子通量的損失能力要比中、高磁暴略強(qiáng)這一結(jié)果的啟發(fā),我們也對(duì)相對(duì)論電子通量能維持長(zhǎng)期倒空狀態(tài)期間磁暴的強(qiáng)度進(jìn)行相關(guān)研究,來(lái)分析磁暴強(qiáng)度與維持這種長(zhǎng)期倒空現(xiàn)象可能的聯(lián)系.
為了對(duì)比事件開(kāi)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(jì)了18例有磁暴發(fā)生事件和44例無(wú)磁暴發(fā)生事件,對(duì)事件開(kāi)始、結(jié)束和相對(duì)論電子通量持續(xù)倒空期間三個(gè)不同時(shí)間階段出現(xiàn)的磁暴強(qiáng)度(S:小磁暴;M:中等磁暴;I:強(qiáng)磁暴和大磁暴)和相位(M:磁暴主相;R:磁暴恢復(fù)相)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表2所示.從表中可以看出,無(wú)論是有磁暴發(fā)生事件還是無(wú)磁暴發(fā)生事件,在事件開(kāi)始和結(jié)束階段,都有部分事例與磁暴過(guò)程相關(guān).并且,這兩類(lèi)事件在事件開(kāi)始時(shí),大部分事例處于磁暴主相階段;在事件結(jié)束時(shí),大部分事例處于磁暴恢復(fù)相階段.這是因?yàn)榇疟┲飨嗥陂g,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(duì)論電子通量降低;在磁暴恢復(fù)相階段,通過(guò)亞暴活動(dòng)和大規(guī)模太陽(yáng)風(fēng)活動(dòng)激發(fā)的感應(yīng)電場(chǎng)引起電子注入,伴隨著絕熱和非絕熱加速作用使相對(duì)論電子通量增長(zhǎng)(Lazutin et al., 2018).
表2 兩類(lèi)相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件開(kāi)始、結(jié)束及事件期間磁暴強(qiáng)度、相位的統(tǒng)計(jì)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(gè)階段發(fā)生的磁暴強(qiáng)度可以看出,幾乎所有的磁暴都是小、中強(qiáng)度,并且小磁暴發(fā)生的次數(shù)也遠(yuǎn)比中等磁暴高.特別是在相對(duì)論電子通量維持長(zhǎng)期倒空狀態(tài)時(shí),沒(méi)有一例大磁暴事件發(fā)生.雖然磁暴會(huì)引起相對(duì)論電子通量增加、減少或者保持不變,無(wú)法單從磁暴發(fā)生與否的角度判斷相對(duì)論電子通量的走向,但是我們的研究結(jié)果表明,相對(duì)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(qiáng)度有關(guān).此外,相對(duì)論電子通量維持長(zhǎng)期倒空時(shí),磁暴的強(qiáng)度并不高,這也是為什么我們4.2節(jié)統(tǒng)計(jì)的有磁暴發(fā)生事件和無(wú)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(guò)程引發(fā),一種是日冕物質(zhì)拋射(CME)驅(qū)動(dòng)的磁暴,另一種是共轉(zhuǎn)相互作用區(qū)(CIR)驅(qū)動(dòng)的磁暴.大磁暴一般都是由CME驅(qū)動(dòng)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(dòng)的磁暴主相由于IMFBz分量不斷波動(dòng)所以呈現(xiàn)不規(guī)律性,其強(qiáng)度也比CME驅(qū)動(dòng)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(guò)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(duì)于CME驅(qū)動(dòng)的磁暴無(wú)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(qiáng),而CIR驅(qū)動(dòng)的磁暴,在相同的區(qū)域并沒(méi)有明顯地觀察到增強(qiáng)現(xiàn)象.Yuan和Zong(2012,2019)通過(guò)統(tǒng)計(jì)大量不同太陽(yáng)風(fēng)/行星際結(jié)構(gòu)觸發(fā)的磁暴過(guò)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(dòng)的磁暴比CIR驅(qū)動(dòng)的磁暴能夠更有效地加速整個(gè)外輻射帶電子,但在地球同步軌道上CIR驅(qū)動(dòng)的磁暴比CME驅(qū)動(dòng)的磁暴可以產(chǎn)生更多的相對(duì)論電子,這可能是因?yàn)镃ME驅(qū)動(dòng)的磁暴在磁暴恢復(fù)相階段外輻射帶向內(nèi)移動(dòng),而CIR驅(qū)動(dòng)的磁暴在磁暴恢復(fù)相階段外輻射帶向外移動(dòng).本文的研究結(jié)果表明,在維持同步軌道相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空現(xiàn)象時(shí),沒(méi)有強(qiáng)磁暴發(fā)生,可能是因?yàn)榛謴?fù)相短暫的CME驅(qū)動(dòng)的大磁暴在磁暴主相和恢復(fù)相間相對(duì)論電子通量都會(huì)出現(xiàn)增強(qiáng),不利于相對(duì)論電子通量長(zhǎng)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(duì)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(duì)論電子通量的變化,不能代表整個(gè)外輻射帶相對(duì)論電子總含量的變化,也無(wú)從對(duì)比磁暴對(duì)整個(gè)外輻射帶產(chǎn)生的影響.當(dāng)整個(gè)外輻射帶電子通量倒空時(shí),同步軌道上相對(duì)論電子通量會(huì)出現(xiàn)倒空現(xiàn)象;當(dāng)輻射帶中心向內(nèi)移動(dòng),整個(gè)外輻射帶被壓縮時(shí),同步軌道相對(duì)論電子通量同樣會(huì)出現(xiàn)倒空現(xiàn)象.同步軌道相對(duì)論電子通量的變化僅是外輻射帶變化的一部分,整個(gè)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.
本文通過(guò)對(duì)2000—2016年GOES衛(wèi)星觀測(cè)的地球同步軌道上相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究,得出主要結(jié)論如下:
(1)相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件在太陽(yáng)活動(dòng)周不同階段的大尺度時(shí)間分布特征表明,在太陽(yáng)活動(dòng)周下降期,相對(duì)論電子通量長(zhǎng)期倒空事件較少甚至沒(méi)有發(fā)生;在太陽(yáng)活動(dòng)周峰年和谷年,相對(duì)論電子通量倒空現(xiàn)象的發(fā)生率與太陽(yáng)活動(dòng)水平的高低并沒(méi)有直接聯(lián)系.
(2)這類(lèi)事件開(kāi)始時(shí),主要發(fā)生在MLT=14—22區(qū)域.這類(lèi)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(guò)程,以及長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò)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(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)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(shí),為了維持這種現(xiàn)象,無(wú)論長(zhǎng)期倒空事件發(fā)生期間有無(wú)磁暴發(fā)生,都是在較弱的太陽(yáng)風(fēng)條件、ULF波活動(dòng)水平條件下.此外,長(zhǎng)期倒空現(xiàn)象發(fā)生時(shí),不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)磁暴過(guò)程,并且小磁暴事件也比中等強(qiáng)度磁暴事件發(fā)生頻率高.
(4)相對(duì)論電子通量打破倒空狀態(tài)時(shí),主要發(fā)生在MLT=0—9區(qū)域,通常會(huì)伴有長(zhǎng)時(shí)間的高速太陽(yáng)風(fēng)條件、長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度亞暴活動(dòng)和ULF波活動(dòng)以及向內(nèi)壓縮的等離子體層.
本文研究的關(guān)注點(diǎn)在相對(duì)論電子通量可以長(zhǎng)期保持倒空狀態(tài)這一類(lèi)特殊現(xiàn)象,從統(tǒng)計(jì)方面加深了引起相對(duì)論電子通量變化的有關(guān)物理機(jī)制的認(rèn)識(shí).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(duì)論電子通量的變化,ULF波指數(shù)可以作為判斷相對(duì)論電子通量增長(zhǎng)情況的一個(gè)有效指標(biāo),如果后續(xù)的預(yù)報(bào)模型可以增加更多的參數(shù),對(duì)加速機(jī)制和損失機(jī)制強(qiáng)弱的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系充分建模,會(huì)對(duì)相對(duì)論電子通量的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)起到一定的促進(jìn)作用.此外,本文的研究結(jié)果也充分說(shuō)明了磁暴的強(qiáng)度可能會(huì)對(duì)相對(duì)論電子通量的變化產(chǎn)生影響,但有關(guān)磁暴過(guò)程中各種物理機(jī)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(huì)(19-05-00960)、國(guó)際空間科學(xué)研究所(ISSI-Beijing No.439)和國(guó)家留學(xué)基金的資助.感謝來(lái)自NOAA GOES提供的同步軌道相對(duì)論電子通量數(shù)據(jù),OMNI database提供的太陽(yáng)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.