王春琴， 張賢國(guó), 沈國(guó)紅， 張珅毅, 張效信， 黃聰， 李興冀

1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心, 北京 100190 2 天基空間環(huán)境探測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190 3 中國(guó)科學(xué)院空間環(huán)境態(tài)勢(shì)感知技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190 4 中國(guó)氣象局國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心， 北京 100081 5 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 哈爾濱 150001

0 引言

磁層捕獲電子通常被認(rèn)為分布在內(nèi)帶(在赤道面測(cè)量距地球中心約2～2.5個(gè)地球半徑以內(nèi)，中心在1.5個(gè)地球半徑附近)和外帶(在赤道面測(cè)量距地球中心約3～7個(gè)地球半徑，中心在4～5個(gè)地球半徑).外輻射帶分布著～100 keV到≥10 MeV的寬能譜電子，內(nèi)帶分布著大量低、中能量的電子，存在極少M(fèi)eV以上能量的相對(duì)論電子(Blake et al., 2015，Li et al., 2015; Fennell et al., 2015).內(nèi)帶和外帶之間(L≈2～3),由‘槽區(qū)’隔離，‘槽區(qū)’在地磁平靜期間電子通量水平極低，通常被認(rèn)為是500 keV以上電子的耗空區(qū)(Summers et al., 2004)，高能量的電子相對(duì)稀少.上述電子內(nèi)磁層的分布是理想靜態(tài)環(huán)境下的描述，事實(shí)上，日地空間是高動(dòng)態(tài)的環(huán)境，受環(huán)境擾動(dòng)影響電子在內(nèi)磁層表現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化，電子空間區(qū)域分布和通量水平完全不同于上述靜態(tài)圖像.外輻射帶動(dòng)態(tài)變化劇烈，時(shí)間變化尺度多樣，從幾小時(shí)到一個(gè)太陽(yáng)周(Baker and Kanekal，2008；Baker and Blake，2012)，受磁暴影響MeV電子在這一區(qū)域還存在雙帶分布結(jié)構(gòu)(Baker et al.,2013)；在相對(duì)‘溫和’的槽區(qū)，強(qiáng)空間天氣事件期間會(huì)被大量中等能量的電子填充(Tu et al.,2009;Zhao and Li, 2013;Turner et al., 2015; Kavanagh et al., 2018)，受強(qiáng)磁暴影響在該區(qū)域還會(huì)出現(xiàn)MeV以上的電子的填充，如1991年3月的強(qiáng)磁暴，2003年10月到11月期間強(qiáng)磁暴導(dǎo)致的MeV電子的顯著長(zhǎng)時(shí)間填充事件(Blake et al.,1992；Looper et al., 2004).內(nèi)輻射帶相對(duì)穩(wěn)定，但強(qiáng)環(huán)境擾動(dòng)仍會(huì)導(dǎo)致幾十到幾百keV的電子在該區(qū)域出現(xiàn)增強(qiáng)(Ma et al., 2017)，有研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁暴甚至?xí)?dǎo)致MeV電子穿越槽區(qū)進(jìn)入到內(nèi)帶區(qū)域(Blake et al. 2001; Baker et al., 2007).

FY-3B衛(wèi)星為極軌系列衛(wèi)星之一，軌道高度約800 km，傾角約90°，軌道周期不超過(guò)2 h，在一天內(nèi)可以多次覆蓋低L到高L的整個(gè)輻射帶區(qū)域.星上安裝有寬能譜高能電子探測(cè)器，探測(cè)數(shù)據(jù)可支持開(kāi)展內(nèi)磁層不同L區(qū)域的電子區(qū)域動(dòng)態(tài)和通量分布研究.FY-3B衛(wèi)星高能電子探測(cè)器自2010年11月開(kāi)機(jī)工作，至2016年6月因星上供電不足探測(cè)儀器關(guān)機(jī)，由此獲取了超過(guò)5年的高能電子連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù).儀器工作時(shí)段處于第24周太陽(yáng)活動(dòng)周，太陽(yáng)黑子記錄表明該太陽(yáng)活動(dòng)周為近5個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周(自1963年以來(lái))太陽(yáng)活動(dòng)水平最低的一個(gè)周期，對(duì)軌道空間粒子輻射有著顯著影響的太陽(yáng)風(fēng)速度、地磁活動(dòng)等擾動(dòng)在該周期內(nèi)活躍程度減弱，常呈現(xiàn)極低擾動(dòng)狀態(tài)(Riley and Love,2017),連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的電子探測(cè)數(shù)據(jù)有助于深入了解這一特殊周期內(nèi)擾動(dòng)對(duì)軌道空間電子環(huán)境動(dòng)態(tài)的影響.

本文利用FY-3B衛(wèi)星高能電子觀測(cè)數(shù)據(jù)，給出第24周太陽(yáng)活動(dòng)周期內(nèi)，2011年至2015年不同能量電子通量在輻射帶的時(shí)間和空間動(dòng)態(tài)表現(xiàn).并分析了2014年5月10日至7月30日和2015年5月10日至7月10日2個(gè)典型時(shí)段內(nèi)，以AE指數(shù)、Dst指數(shù)和太陽(yáng)風(fēng)速度為代表的環(huán)境擾動(dòng)參數(shù)變化對(duì)不同能量高能電子通量在輻射帶不同區(qū)域分布產(chǎn)生的可能影響.

1 探測(cè)儀器及數(shù)據(jù)篩選

FY-3B衛(wèi)星是繼我國(guó)FY-1系列衛(wèi)星后的第二代極軌氣象衛(wèi)星“風(fēng)云三號(hào)氣象衛(wèi)星”的第二顆.星上粒子探測(cè)器繼承了FY-1系列空間粒子探測(cè)器的設(shè)計(jì)(Wang et al.,2020)，并進(jìn)一步發(fā)展研制出了具有精細(xì)能譜探測(cè)的高能電子探測(cè)器.FY-3B衛(wèi)星高能電子探測(cè)器傳感器由3片半導(dǎo)體探測(cè)器疊加組成，傳感器經(jīng)準(zhǔn)直構(gòu)成40°的探測(cè)張角.通過(guò)測(cè)量帶電粒子在傳感器中損失能量所產(chǎn)生的電荷脈沖，確定入射電子能量和通量.在對(duì)電荷脈沖幅度進(jìn)行測(cè)量分析時(shí)，通過(guò)設(shè)置去質(zhì)子閾值，排除質(zhì)子對(duì)電子測(cè)量的干擾，確保電子測(cè)量的準(zhǔn)確性.探測(cè)儀器設(shè)置了5道電子微分能道，分別為0.15～0.35 MeV,0.35～0.65 MeV, 0.65～1.2 MeV,1.2～2.0 MeV和2.0～5.7 MeV，通過(guò)地面定標(biāo)和仿真試驗(yàn)得到各能道能檔劃分精度優(yōu)于10%，通量精度優(yōu)于25%，探測(cè)儀器本底噪聲<50 cm-2·s-1·sr-1.高能電子探測(cè)器安裝在衛(wèi)星正Y面(背陽(yáng)方向)，因此，探測(cè)數(shù)據(jù)主要為投擲角集中在90°附近的捕獲帶電粒子.

FY-3B衛(wèi)星高能電子數(shù)據(jù)包含5道高能電子微分方向通量，通量單位cm-2·s-1·sr-1，時(shí)間分辨率為2 s.探測(cè)數(shù)據(jù)與國(guó)外多顆同類衛(wèi)星NOAA-15、16、17、18、19和MetOp-02同期高能電子探測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展了交叉比較，對(duì)于相同空間物理現(xiàn)象，F(xiàn)Y-3B電子數(shù)據(jù)與同類數(shù)據(jù)具有一致的趨勢(shì)和量值響應(yīng)(Wang et al.,2013; Zhang et al.,2018)，因此，F(xiàn)Y-3B電子探測(cè)數(shù)據(jù)可有效、可靠用于開(kāi)展軌道空間的電子動(dòng)態(tài)研究.

對(duì)于FY-3B軌道而言，衛(wèi)星經(jīng)歷的高能電子輻射空間分布和對(duì)應(yīng)的輻射帶位置(采用IGRF磁場(chǎng)模型計(jì)算獲取L)如圖1所示：經(jīng)度100°W—60°E，緯度50°S—10°N的南大西洋異常區(qū)，對(duì)應(yīng)電子內(nèi)輻射帶；高緯度區(qū)域，全經(jīng)度帶狀分布，對(duì)應(yīng)L>3的外輻射帶；中低緯度區(qū)域，特定經(jīng)度范圍的多帶狀分布，對(duì)應(yīng)槽區(qū)和更低L內(nèi)帶區(qū)域，其中內(nèi)帶區(qū)域電子強(qiáng)度顯著低于南大西洋異常區(qū).南大西洋異常區(qū)是內(nèi)輻射帶電子峰值通量的分布區(qū)域，該區(qū)域電子長(zhǎng)期存在且相對(duì)穩(wěn)定(Miyoshi et al.,2004).在南緯區(qū)域，槽區(qū)電子分布會(huì)與異常區(qū)融合在一起.因此，本文盡可能剔除南大西洋異常區(qū)強(qiáng)通量對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析的影響，數(shù)據(jù)篩選條件：在北緯，緯度>10°N.在南緯，分三個(gè)條件篩選，經(jīng)度>60°E；經(jīng)度<100°W；經(jīng)度100°W—60°E且L>3.篩選出的電子通量數(shù)據(jù)按0.02L×1天作平均.為反映環(huán)境擾動(dòng)參數(shù)對(duì)電子區(qū)域動(dòng)態(tài)的影響，文中還用到了5 min分辨的太陽(yáng)風(fēng)速度數(shù)據(jù)、AE指數(shù)數(shù)據(jù)和Dst指數(shù)數(shù)據(jù)，參數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源http:∥cdaweb.gsfc.nasa.gov/，并對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)作相應(yīng)的日平均處理.

圖1 FY-3B衛(wèi)星觀測(cè)到的>150 keV電子通量空間分布Fig.1 Electron flux distribution of >150 keV observed by FY-3B satellite

2 2011—2015年電子通量觀測(cè)結(jié)果

圖2a—2e從上到下分別給出2011—2015年期間0.15～0.35 MeV,0.35～0.65 MeV, 0.65～1.2 MeV,1.2～2.0 MeV,2.0～5.7 MeV,5道電子日平均通量情況，橫坐標(biāo)為時(shí)間，覆蓋2011—2015年；縱坐標(biāo)為L(zhǎng).各能道通量強(qiáng)度大小通過(guò)不同顏色表示，圖中電子通量最小閾值均設(shè)為50 cm-2·s-1·sr-1，以該閾值確認(rèn)電子通量最小動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化.0.15～0.35 MeV，0.35～0.65 MeV, 0.65～1.2 MeV,3道電子最大通量設(shè)置為5×105cm-2·s-1·sr-1，1.2～2.0 MeV電子最大通量設(shè)置為2×104cm-2·s-1·sr-1,2.0～5.7 MeV電子最大通量設(shè)置為1×103cm-2·s-1·sr-1,超過(guò)最大通量閾值用灰色表示，由此來(lái)反映不同能量電子在分析時(shí)段內(nèi)可達(dá)到的峰值通量水平.白色空白的部分由于軌道有誤，在此不用于開(kāi)展分析.圖2f—2h為對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的地磁活動(dòng)AE指數(shù)、Dst指數(shù)和太陽(yáng)風(fēng)速度參數(shù).

從分布區(qū)域來(lái)看，2011—2015年期間，0.15～0.35 MeV電子的通量分布出現(xiàn)在電子輻射帶的各個(gè)區(qū)域，0.35～0.65 MeV電子主要出現(xiàn)在槽區(qū)和外輻射帶，0.65～1.2 MeV電子在槽區(qū)的分布逐漸減少，集中分布于外輻射帶，而1.2 MeV以上的電子則更多地以外輻射帶分布為主，有很少量槽區(qū)的注入，但并不明顯.區(qū)域分布反映出較低能量電子填充槽區(qū)并注入到內(nèi)帶區(qū)域與能量有關(guān)，較低能量的電子更容易從高L注入到低L，高能量增強(qiáng)常常伴隨著低能量的增強(qiáng)，但低能量的增強(qiáng)并不一定有高能量的增強(qiáng)，這一結(jié)果在相關(guān)的研究中得到了證實(shí)(Reeves et al.,2016).

從通量強(qiáng)度來(lái)看，在外輻射帶區(qū)域，0.15～0.35 MeV，0.35～0.65 MeV和0.65～1.2 MeV的電子通量變化頻繁，表現(xiàn)出短時(shí)間、劇烈增強(qiáng)變化，最大增強(qiáng)幅度超過(guò)1個(gè)量級(jí)，電子日均峰值強(qiáng)度在105cm-2·s-1·sr-1，1.2 MeV電子通量顯著的增強(qiáng)變化減少，最大增強(qiáng)幅度超過(guò)1個(gè)量級(jí)，峰值強(qiáng)度在104cm-2·s-1·sr-1，而2.0～5.7 MeV電子通量?jī)H出現(xiàn)為數(shù)極少的幾起增強(qiáng)變化，峰值強(qiáng)度小于103cm-2·s-1·sr-1.

電子通量在外輻射帶區(qū)域的峰值位置、內(nèi)邊界位置不同，急劇增強(qiáng)的電子通量峰值位置、內(nèi)邊界位置更靠近低L區(qū)域，而極弱變化的電子通量峰值位置、內(nèi)邊界位置則出現(xiàn)在較高的L區(qū)域.在槽區(qū)，0.15～0.35 MeV電子依然表現(xiàn)出相對(duì)活躍，相對(duì)劇烈的增強(qiáng)變化，峰值強(qiáng)度可達(dá)到外帶水平.0.35～0.65 MeV電子增強(qiáng)變化逐漸減少并明顯減弱，峰值強(qiáng)度顯著低于外帶水平.0.65～1.2 MeV電子通量增強(qiáng)變化顯著減少，且峰值強(qiáng)度極大地弱于外帶水平.>1.2 MeV的電子在此期間在靠近外輻射帶的小范圍區(qū)域有少量分布.在L<2的內(nèi)帶區(qū)域，僅有0.15～0.35 MeV電子通量有分布，呈現(xiàn)出2個(gè)峰值區(qū)域，一個(gè)在L～1.3,峰值通量不超過(guò)103cm-2·s-1·sr-1，另一個(gè)在L約1.6～1.8，峰值強(qiáng)度不超過(guò)104cm-2·s-1·sr-1，低于外輻射帶和槽區(qū)，見(jiàn)圖4.

整體而言，外輻射帶的電子通量表現(xiàn)出高動(dòng)態(tài)變化，在槽區(qū)和內(nèi)帶區(qū)域動(dòng)態(tài)變化明顯減弱，能量越低動(dòng)態(tài)變化越頻繁，2014年電子通量水平持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間處于極低水平，空間分布范圍極大地縮小至L>4的外輻射帶，能量超過(guò)MeV的電子通量甚至低于50 cm-2·s-1·sr-1.在2011底到2012年初的部分時(shí)段、2013年初的部分時(shí)段也出現(xiàn)了與2014年類似的極低通量、極小范圍的分布.2015年大部分時(shí)間電子通量水平處于極高水平，空間分布大范圍擴(kuò)散至整個(gè)槽區(qū).相似的分布還出現(xiàn)在2012年中期和2013年年中期的部分時(shí)段.這一動(dòng)態(tài)結(jié)果與RBSP/REPT同期MeV電子動(dòng)態(tài)結(jié)果相似(Baker et al.,2019)，說(shuō)明2011年至2015年期間不同能量電子的整體演化趨勢(shì)是一致的.對(duì)照同期的環(huán)境參數(shù)，可以看到在極低通量分布的幾個(gè)時(shí)段內(nèi)，太陽(yáng)風(fēng)速度持續(xù)保持在<500 km·s-1極低水平，Dst指數(shù)持續(xù)保持在>-50 nT和AE指數(shù)保持在<500 nT，均處于極低擾動(dòng)水平.由此，太陽(yáng)風(fēng)速度、地磁活動(dòng)為影響電子通量變化和區(qū)域動(dòng)態(tài)的主要控制因素，多項(xiàng)研究中已有證實(shí)(Li et al., 2005; Lyatsky and Khazanov, 2008; Reeveset al., 2011).從圖3中可以看到0.15～0.35 MeV的電子在內(nèi)帶區(qū)域的動(dòng)態(tài)，與槽區(qū)、外輻射帶動(dòng)態(tài)有所不同，主要呈現(xiàn)出持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的周期變化，這一變化趨勢(shì)與亞暴活動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間周期變化趨勢(shì)有著相對(duì)明顯的關(guān)聯(lián).早期低軌道衛(wèi)星也有類似觀測(cè)，研究認(rèn)為這一區(qū)域電子動(dòng)態(tài)的產(chǎn)生與VLF波釋放有關(guān)(Grachev et al.,2005; Grigoryanet al.,2006,2008)，而在中緯度和極區(qū)不同類型的VLF波的釋放活動(dòng)與亞暴活動(dòng)有著緊密的聯(lián)系(Liang et al.,2009; Lubchich et al., 2006).

圖2 0.15～0.35 MeV,0.35～0.65 MeV, 0.65～1.2 MeV,1.2～2.0 MeV,2.0～5.7 MeV電子日平均通量L-時(shí)間變化及同期AE指數(shù)、Dst指數(shù)和太陽(yáng)風(fēng)速度Fig.2 L-time variations of daily average electron flux of 0.15～0.35 MeV, 0.35～0.65 MeV, 0.65～1.2 MeV, 1.2～2.0 MeV, 2.0～5.7 MeV, AE index, Dst index and solar wind speed in the same period

圖3 0.15～0.35 MeV電子日平均通量L-時(shí)間變化及同期AE指數(shù)、Dst指數(shù)和太陽(yáng)風(fēng)速度Fig.3 L-time variations of daily average electron flux of 0.15～0.35 MeV and AE index in the same period

圖4 2014年5月至7月太陽(yáng)風(fēng)速度、Dst指數(shù)、AE指數(shù)時(shí)序演化Fig.4 Solar wind speed, Dst index and AE index variations during May to July, 2014

3 不同環(huán)境擾動(dòng)時(shí)段電子響應(yīng)動(dòng)態(tài)

選擇2014年5月10日至7月30日，2015年5月10日至7月10日兩個(gè)時(shí)段展開(kāi)具體的電子通量動(dòng)態(tài)分析，深入了解電子受不同環(huán)境擾動(dòng)影響下在不同L區(qū)域，隨不同能量的響應(yīng)差異，分別取外輻射帶外邊界區(qū)域(L～6.0,6.2,6.5,6.7)，外輻射帶峰值區(qū)域(L～4.0,4.4,4.6,5.0),外輻射帶內(nèi)邊界區(qū)域(L～3.2,3.4,3.6,3.9),槽區(qū)(L～2.4,2.6,2.8).2011—2015年有多個(gè)時(shí)段表現(xiàn)出極低的環(huán)境擾動(dòng)，其中在2014年5月至7月,環(huán)境擾動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間保持極低水平狀態(tài).2015年5月至7月背景環(huán)境則出現(xiàn)頻繁的強(qiáng)擾動(dòng)，Dst指數(shù)最大達(dá)到～-133 nT，為2011—2015年期間最強(qiáng)的一起磁暴.

3.1 2014年5月10日至7月30日電子動(dòng)態(tài)

2014年5月10日至7月30日，亞暴AE指數(shù)值持續(xù)低于400 nT，并偶有短時(shí)間超過(guò)300 nT的亞暴活動(dòng),磁暴Dst指數(shù)不超過(guò)-30 nT,太陽(yáng)風(fēng)速度大部分時(shí)間持續(xù)低于500 km·s-1，僅在6月9日前后出現(xiàn)超過(guò)500 km·s-1的擾動(dòng)，但持續(xù)時(shí)間不超過(guò)2天(見(jiàn)圖4).從前面長(zhǎng)期分布，電子在此期間長(zhǎng)時(shí)間處于極低的通量水平，由此，可了解低水平環(huán)境擾動(dòng)影響下的電子動(dòng)態(tài)，為勾勒電子隨能量變化的區(qū)域分布及通量變化基礎(chǔ)特征提供參考.

圖5給出了2014年5月10日至7月30日不同能量電子對(duì)應(yīng)不同L位置的時(shí)間-通量圖.由圖看到，在AE<300 nT,Dst>-30 nT,SW<500 km·s-1的低水平擾動(dòng)影響下，電子通量動(dòng)態(tài)變化能量主要集中于MeV以下，能量越低，變化越明顯.電子動(dòng)態(tài)變化區(qū)域集中在外輻射帶，電子注入到不低于L～4的位置,通量峰值出現(xiàn)在靠近L～5的位置，并隨L變化呈現(xiàn)出明顯的梯度差異.太陽(yáng)風(fēng)被認(rèn)為是輻射帶電子動(dòng)態(tài)變化的主要驅(qū)動(dòng)源，在外輻射帶外邊界區(qū)域，通量動(dòng)態(tài)變化與太陽(yáng)風(fēng)起伏變化關(guān)聯(lián)顯著，表現(xiàn)出隨太陽(yáng)風(fēng)重現(xiàn)性周期變化特征，在太陽(yáng)風(fēng)速度減弱時(shí)通量減小，在太陽(yáng)風(fēng)速度增加時(shí)通量增大，能量越低的電子受太陽(yáng)風(fēng)的影響越顯著.越靠近地球的區(qū)域，電子通量動(dòng)態(tài)變化需要更強(qiáng)、更復(fù)雜的擾動(dòng)過(guò)程激發(fā)，亞暴活動(dòng)增強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生數(shù)十keV到數(shù)百keV的種子電子向地球方向傳輸，可以看到在Dst>-30 nT,SW<500 km·s-1保持上述擾動(dòng)水平，亞暴短時(shí)增強(qiáng)到AE>300 nT，能量為0.15～0.35 MeV電子在L<4的區(qū)域產(chǎn)生響應(yīng)注入增長(zhǎng),增大幅度超過(guò)1個(gè)量級(jí).太陽(yáng)風(fēng)速度增強(qiáng)會(huì)驅(qū)動(dòng)帶電粒子的徑向傳輸，有研究認(rèn)為高通量的輻射帶電子通常與V>500 km·s-1的太陽(yáng)風(fēng)速度有關(guān)(Li et al.,2005;Kurita et al.,2018)，6月9日前后>500 km·s-1的太陽(yáng)風(fēng)誘導(dǎo)能量更高的0.35～0.65 MeV,0.65～1.2 MeV的電子在L<4的區(qū)域也出現(xiàn)了響應(yīng)增大變化.在此期間，小幅短時(shí)增強(qiáng)的太陽(yáng)風(fēng)速度和亞暴活動(dòng)并未導(dǎo)致1.2～2.0 MeV、2.0～5.7 MeV明顯的動(dòng)態(tài)變化.

圖5 2014年5月至2014年7月期間0.15～0.35 MeV (a)、0.35～0.65 MeV (b)、0.65～1.2 MeV (c)和1.2～2.0 MeV(d)電子對(duì)應(yīng)不同L位置的時(shí)序-通量變化Fig.5 Electron flux variations of 0.15～0.35 MeV (a)，0.35～0.65 MeV (b)，0.65～1.2 MeV (c) and 1.2～2.0 MeV (d) at different L locations during May to July,2014

3.2 2015年5月10日至7月10日電子動(dòng)態(tài)

相較于上述2014年的環(huán)境擾動(dòng)，2015年5月10日至7月10日記錄到三起磁暴,其中6月記錄到一起Dst達(dá)到-133 nT的強(qiáng)磁暴,其余兩起為-50 nT

由圖7可以看到，在強(qiáng)擾動(dòng)影響下，電子區(qū)域和通量強(qiáng)度產(chǎn)生了明顯的變化，并因能量不同表現(xiàn)出明顯的響應(yīng)差異.兩起-50 nT

三起磁暴期間，在外輻射帶外邊界區(qū)域，電子通量動(dòng)態(tài)變化仍與太陽(yáng)風(fēng)起伏變化明顯關(guān)聯(lián)，在太陽(yáng)風(fēng)速度減弱時(shí)通量減小，在太陽(yáng)風(fēng)速度增加時(shí)通量增大，能量越低的電子受太陽(yáng)風(fēng)的影響越顯著.持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)亞暴活動(dòng)會(huì)使得種子電子出現(xiàn)更強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的注入，種子電子的顯著增強(qiáng)為輻射帶高能電子的產(chǎn)生提供了必要的來(lái)源.相較于2014年，顯著高通量水平的0.15～0.35 MeV種子電子會(huì)掩蓋由于亞暴產(chǎn)生的響應(yīng)增強(qiáng)變化.兩起中小磁暴期間，伴隨持續(xù)>500 km·s-1的太陽(yáng)風(fēng)，能量0.15～0.35 MeV,0.35～0.65 MeV,0.65～1.2 MeV的電子在L<4的區(qū)域出現(xiàn)持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間，強(qiáng)度更強(qiáng)的響應(yīng)增長(zhǎng)變化，而1.2～2.0 MeV的電子則出現(xiàn)小幅度增強(qiáng).電子動(dòng)態(tài)明顯還與磁暴活動(dòng)關(guān)聯(lián)，隨磁暴的發(fā)生在磁暴主相通量減小，在磁暴恢復(fù)相通量逐漸恢復(fù)并出現(xiàn)增強(qiáng)，能量越高這一關(guān)聯(lián)越明顯，對(duì)于0.15～0.35 MeV的種子電子并不明顯.6月的強(qiáng)磁暴對(duì)電子向更低L區(qū)域的注入和電子通量增強(qiáng)產(chǎn)生了顯著影響，該起強(qiáng)磁暴導(dǎo)致了能量至MeV以上的電子在槽區(qū)出現(xiàn)了明顯的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)，在L～2.8的位置電子通量增強(qiáng)超過(guò)1個(gè)量級(jí).

大量在軌衛(wèi)星的重要危害來(lái)自于>1 MeV以上的電子通量強(qiáng)的、長(zhǎng)時(shí)間的增長(zhǎng)，高能量的電子可穿透衛(wèi)星進(jìn)入航天器內(nèi)部，在半導(dǎo)體和絕緣材料累計(jì)電荷，最終導(dǎo)致靜電放電和航天器異常甚至失效(Dorman et al., 2005;Singh et al., 2010).2011—2015年，>1 MeV以上的電子在外輻射帶區(qū)域的極強(qiáng)電子通量出現(xiàn)在L約3.5～3.9的位置，上述6月強(qiáng)磁暴期間電子峰值通量達(dá)到7×103cm-2·s-1·sr-1，但并不是最大強(qiáng)度.在2012年5月，7月和10月，2015年10月和11月還分別記錄到共五起峰值通量超過(guò)1×104cm-2·s-1·sr-1的強(qiáng)增強(qiáng).增強(qiáng)期間對(duì)應(yīng)的環(huán)境擾動(dòng)條件:Dst約-80～-50 nT,SW約500～800 km·s-1,AE約500～900 nT，由此表明，磁暴強(qiáng)度并不直接與電子通量強(qiáng)度相關(guān)，電子動(dòng)態(tài)變化是不同擾動(dòng)變化產(chǎn)生的不同物理過(guò)程，如徑向擴(kuò)散、ULF波和哨聲模波加速，庫(kù)侖碰撞產(chǎn)生的投擲角擴(kuò)散、以及與不同等離子體波的相互作用(Meredith et al.,2001;Rae et al.,2012; Reeve et al.,2016)復(fù)雜綜合作用的結(jié)果，而不僅僅取決于簡(jiǎn)單參數(shù)條件的變化.2011—2015年期間>1 MeV以上的電子在槽區(qū)低至L～2.8的顯著增長(zhǎng)記錄有兩起，均出現(xiàn)在2015年，另一起出現(xiàn)在2015年的3月，期間發(fā)生一起Dst最小值到-105 nT磁暴.

4 結(jié)論

本文利用FY-3B衛(wèi)星高能電子觀測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)分析了2011—2015年期間磁層內(nèi)不同能量電子動(dòng)態(tài)表現(xiàn)，結(jié)果顯示：

(1)較低能量的電子填充槽區(qū)和進(jìn)入到內(nèi)帶更低L區(qū)域的可能性更大.在所有的動(dòng)態(tài)變化區(qū)域，低能量的電子比高能量的電子更容易出現(xiàn)增強(qiáng).

(2)太陽(yáng)風(fēng)速度、地磁活動(dòng)為影響電子通量變化和區(qū)域動(dòng)態(tài)的主要控制因素，在太陽(yáng)風(fēng)速度、地磁活動(dòng)擾動(dòng)極弱的2014年，電子通量水平持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間處于極低水平，空間分布范圍極大地縮小，能譜分布集中在1 MeV以下.在2011年底到2012年初的部分時(shí)段、2013年初的部分時(shí)段在極弱擾動(dòng)條件下，也出現(xiàn)了與2014年類似的動(dòng)態(tài)分布.2015年大部分時(shí)間電子通量水平處于極高水平，空間分布大范圍擴(kuò)散至槽區(qū)，1 MeV以上能量的電子比較明顯地增強(qiáng)出現(xiàn)在低至L～2.8的位置.0.15～0.35 MeV電子作為種子電子，分布在電子輻射帶的各個(gè)區(qū)域，在南大西洋異常區(qū)外中低緯度對(duì)應(yīng)的內(nèi)帶區(qū)域也存在動(dòng)態(tài)變化.

圖6 2015年5月至7月太陽(yáng)風(fēng)速度、Dst指數(shù)、AE指數(shù)時(shí)序演化Fig.6 Solar wind speed, Dst index and AE index variations during May to July, 2015

圖7 2015年5月至2015年7月期間0.15～0.35 MeV (a)、0.35～0.65 MeV (b) 、0.65～1.2 MeV (c)和1.2～2.0 MeV (d)電子對(duì)應(yīng)不同L位置的時(shí)序-通量變化Fig.7 Electron flux variations of 0.15～0.35 MeV (a) ， 0.35～0.65 MeV (b)，0.65～1.2 MeV (c) and 1.2～2.0 MeV (d) at different L locations during May to July, 2015

(3)在外輻射帶外邊界區(qū)域，通量動(dòng)態(tài)變化與太陽(yáng)風(fēng)起伏變化關(guān)聯(lián)顯著，表現(xiàn)出隨太陽(yáng)風(fēng)重現(xiàn)性周期變化特征，在太陽(yáng)風(fēng)速度減弱時(shí)通量減小，在太陽(yáng)風(fēng)速度增加時(shí)通量增大，能量越低的電子受太陽(yáng)風(fēng)的影響越顯著.

(4)擾動(dòng)強(qiáng)度變化會(huì)影響電子在外輻射帶的內(nèi)邊界和峰值位置，在AE<300 nT,Dst>-30 nT,SW<500 km·s-1的持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間低水平擾動(dòng)條件下，電子動(dòng)態(tài)出現(xiàn)在不低于L～4的位置,通量峰值出現(xiàn)在靠近L～5的位置；而在太陽(yáng)風(fēng)速度和地磁活動(dòng)顯著活躍的時(shí)候，電子甚至?xí)┰酵廨椛鋷钊氲讲蹍^(qū)，在外輻射帶的通量峰值出現(xiàn)在L約3.5～3.9的位置.強(qiáng)磁暴的發(fā)生會(huì)使得電子向更低L注入，2011—2015年期間>1 MeV以上的電子在槽區(qū)低至L～2.8的顯著增大記錄有兩起，均出現(xiàn)在2015年，分別出現(xiàn)在2015年的3月和6月，Dst最小值分別達(dá)到-105 nT和-133 nT.在極低通量水平下，Dst>-30 nT,SW<500 km·s-1，AE短時(shí)增加超過(guò)300 nT的亞暴活動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致0.15～0.35 MeV電子超過(guò)1個(gè)量級(jí)的增長(zhǎng)變化.

本文利用FY-3B衛(wèi)星電子輻射實(shí)測(cè)通量數(shù)據(jù)，從能量、空間分布區(qū)域、對(duì)環(huán)境擾動(dòng)參數(shù)響應(yīng)等多個(gè)維度對(duì)2011—2015年期間的電子輻射動(dòng)態(tài)展開(kāi)了較為詳細(xì)的分析描述，分析周期處于極低太陽(yáng)活動(dòng)周，為認(rèn)識(shí)電子輻射的基礎(chǔ)分布狀態(tài)提供了參考.在分析周期內(nèi)強(qiáng)擾動(dòng)現(xiàn)象有限，因此全面描述電子的動(dòng)態(tài)還需要積累更多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).活躍的太陽(yáng)和地磁擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生各種復(fù)雜的物理過(guò)程影響和改變電子通量強(qiáng)度，本文僅就環(huán)境擾動(dòng)參數(shù)對(duì)電子輻射在能量、空間區(qū)域產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)差異影響開(kāi)展了分析，并沒(méi)有深入開(kāi)展詳細(xì)的擾動(dòng)參數(shù)變化導(dǎo)致電子動(dòng)態(tài)的機(jī)理機(jī)制分析，這些工作將在后續(xù)研究中進(jìn)一步開(kāi)展.

致謝感謝國(guó)家氣象局提供的FY-3B衛(wèi)星高能電子數(shù)據(jù)；感謝Kyoto大學(xué)WDC地磁臺(tái)站的Dst指數(shù)數(shù)據(jù)、AE指數(shù)數(shù)據(jù)，ACE/SWEPAM公布的太陽(yáng)風(fēng)數(shù)據(jù)，NOAA/GOES公布的太陽(yáng)黑子數(shù)數(shù)據(jù).