（空间物理学专业论文）磁层相对论电子通量增强事件的观测和理论研究.pdf

摘要 摘要 当l = i 1 冕物质抛射磁云( c m e m c ) 、共转相互作用区( c i r ) 、行星际激波( i s ) 、 太阳风高速流( k 。5 0 0k m s 1 ) 或南向行星际磁场作用地球磁层时，磁层中常常 会产生磁暴亚暴活动和各种等离子体波活动。在此期间，外辐射带( 3 sl 7 ) 中的高能电子通量会出现显著的变化。典型地，在磁暴主相期间，相对论电子( 能 量大于l l d e v ) 的通量减小；在磁暴恢复褶期阅，相对论电子的通量出现不同程度 的增长。但是，只有在一部分磁暴恢复相期间，相对论电子的通量才能增长到超 过暴前水平的1 0 1 0 3 倍，这种现象通常叫做磁层相对论电子通量增强事件。由 于这种高能量电子的高通量在磁层中持续时间很长，它可以造成了卫星的深层充 电，从而使卫星工作异常甚至完全毁坏。所以对磁层相对论电予的来源、加速、 相对论电子的通量增强事件的发生和发展规律的研究其有非常重要的意义，它可 以为预报这种灾害性空间天气事件提供可靠的理论依据。 为了更清楚地认识磁层相对论电子通量的变化规律、相对论电子通量增强事 件产生的行星际扰动条件和地磁条件。本文联合分析了a c e 飞船、g o e s i o 和l a n l 卫星在2 0 0 3 年7 8 月和l o 儿月期间对行星际总磁场、行星际磁场南北向分 量、太阳风速度和太阳风高能电子通量的变化、地球同步轨道高度相对论电子通 量变化的测量数据以及日本k y o t o 地磁数据中心给出的d s t 指数和a e 指数的变 化情况。数据分析结果发现：( 1 ) 磁暴期间磁层相对论电子通量的变化与太阳风 中的高能电子通量变化没有对一的关系，即使太阳风中的高能电子 ( 3 8 3 1 5k e v ) 通量值为零，外辐射带中也会发生相对论电子通量增强事件； 相反，即使太阳风中的高能电子通量出现巨大的增长，磁层相对论电子通量值也 会衰减到零附近，这说明磁层相对论电子通量增强事件的爆发跟太阳风高能电子 增长事件没有关系。( 2 ) 磁层相对论电子通量增强事件和磁暴并不是一对一的 关系。磁暴期间d s t 绝热效应是造成磁层相对论电子通量主相下降和恢复相上升 的一个重要因素。但是在磁暴恢复相期间，相对论电子通量的增强与否与磁暴强 弱或其恢复相长短无关。( 3 ) 在有磁层相对论电子通量增强事件爆发的磁暴主相 和恢复相期间，行星际磁场通常有持续几天的南向分量，同时，太阳风速度一直 保持在5 0 0 k m s 1 以上，直到磁暴活动结束。( 4 ) 能量低予3 0 0 k e v 电子的通量 在磁暴主相期间就会增长，这可能是磁层压缩或亚暴活动注入电子造成的结果； 磁暴恢复相期间，能量低于3 0 0 k e v 的亚暴电子的通量越高，相对论电子的通量 越高，反之，相对论电子的通量越低。 已有的观测研究说明，外辐射带相对论电子通量增长是全球性的，相对论电 子通量的峰值在l = 4 5 附近：而且在伴随有相对论电子通量增强事件的磁暴 亚暴期间，磁层中常常观测哨声模波或低频快模波( 即频率在p c 4 至p c 5 范围内 的压缩u l f 波) 活动。这说明磁层相对论电子通量增长事件可能主要由磁层当地 的些波一粒共振相互作用过程( 非绝热加速) 造成的。为了验证这些波对电子 加速的可能性和加速能力，我们在准线性理论近似下对波一粒共振相互作用的动 量扩散方程( 即f o k k e r p l a n c k 方程) 进行了数值计算。计算结果反映了磁暴 亚暴过程中可能出现的三种情况： 首先，当磁暴亚暴过程中缺乏压缩u l f 湍流( 低频快模波) 或者在磁层中 磁层相对论电子通量增强事件的观测和理论研究 某些区域这种湍流活动比较弱时，磁层电子可能和磁暴亚暴期间增强的哨声模 波发生回旋共振相互作用。我们的研究结果说明：( 1 ) 由于哨声模湍流仅仅能加 速能量为几百千电子伏特的亚暴注入电子，所以哨声模湍流可能在亚暴期间对电 子的加速有着重要的贡献；( 2 ) 哨声模湍流谱幅度越大，其加速效率越高；( 3 ) 在磁活动肘期，电子数密度的波动将直接影响哨声模湍流对电子的加速效率。通 常，哨声模湍流对电子的加速在等离子体层顶之外的低密度区域最有效；( 4 ) 在 封i 羽相空间情况下，哨声模湍流对电子的最有效加速时间大约为半天左右，总的 波一粒共振时间大约为一天半左右，这正好和大多数磁暴期间观测到的磁层相对 论电子通量的增长时间相当。 其次，当磁层中某些区域哨声模湍流对电子的动量扩散作用较弱或不存在 时，压缩u l f 湍流可以通过“渡越时间阻尼”机制加速投掷角各向同性分布的电 子。( 1 ) 由于压缩u l f 湍流能加速速度大于阿尔芬速度的部分磁层背景电子和亚 暴注入电子，所以无论是在亚暴期间还是非亚暴期间，只要磁层中存在压缩u l f 湍流，压缩u l f 湍流都有可能加速电子。但是，由于亚暴活动可以提供较多的“种 子电子”和较强的湍流，所以较强的相对论电子通量增强事件通常出现在磁活动 时期：( 2 ) 压缩u l f 湍流谱幅度越大( 或谱指数越小) ，其加速效率越高亚暴注 入的电子数越多，渡越时间加速产生的相对论电子数也越多：( 3 ) 在亚暴注入率 = o 5 的情况下，压缩u l f 湍流的“渡越时间加速”可以在1 2 个小时左右就造 成磁层相对论电子数的巨大增加。 最后，在大多数情况下，磁暴亚暴活动可能同时激发哨声模湍流和压缩u l f 湍流。此时，电子可能同时受到这两种湍流的复合加速。这两种湍流对电子的复 合加速效果在等离子体层顶外的低密度区域比较好。在地球同步轨道附近，哨声 模和压缩u l f 湍流对电子的复合加速可以在大约8 小时就造成相对论电子数的巨 大增加。复合加速并没有排除在磁层中一些区域存在着一种波单独对电子加速的 可能性。不同的湍流存在时，电予的加速效率不同。通常情况下，压缩u l f 湍流 对电子的“渡越时间阻尼”的加速效率比哨声模湍流的加速效率高，而这两种湍 流的对电子的复合加速效率最高。 以上的数据分析和数值计算结果表明：行星际磁场的南向扰动和高速太阳风 流( 大于5 0 0 k m s ) 对磁层持续几天的作用会触发持续的磁层亚暴活动；在磁 暴恢复相期间，延长的( 通常4 小时以上) 持续几天的高强度( a e 5 0 0 n t ) 亚暴活动是导致磁层相对论电子通量增长并超过暴前水平的一个重要原因。少部 分磁暴没有发生相对论电子通量增强事件，这可能是由于磁暴恢复相期间没有持 续的亚暴活动或亚暴活动太弱而不能提供磁层充足的“种子电子”造成的；亚暴 活动注入能量低于3 0 0 k e v 的亚暴电予可能是磁层相对论电子的一个主要来源； 在磁暴亚暴期间，增强的哨声模湍流和压缩u l f 湍流对磁层电子的加速可能是 造成磁层相对论电子通量增长的主要因素。 关键词：磁暴亚暴，相对论电子，哨声模湍流，压缩u l f 湍流，波一粒共振 i i a b s t r a c t l i l i u y u a n ( s p a c ep h y s i c s ) d i r e c t e db yc a oj i n b i n d u r i n gt h et i m eo fl l i g l l s p e e ds o l a r 晰n dw i mas o u t h w a r dc o m p o n e n to ft h e i m f , g e o m a g n e t i cs t o r m s s u b s t o r m sa n df l u xe n h a n c e m e n te v e n t so ft h er e l a t i v i s t i c e l e c t r o n s ( e 1 m e v ) a r ef r e q u e n t l yo b s e r v e di nt h eo u t e rr a d i a t i o nb e l tr 3 兰上茎7 ) t y p i c a l l y ，f l u x e s o fr e l a t i v i s t i ce l e c t r o n sd e c r e a s e d u r i n g t h em a i np h a s eo fa m a g n e t i cs t o r ma n dt h e ni n c r e a s et oe x c e e dt h ep r e s t o r ml e v e lb yaf a c t o ro f1 0o r h i g h e rd u r i n gt h er e c o v e r yp h a s e ，t h i sp h e n o m e n o ni sc a l l e dr e s t i v i s t i ce l e c t r o nf l u x e n h a n c e m e n te v e n t s s i n c er e l a t i v i s t i ce l e c t r o n sh a v ee n o u g h e r i e r g yt op e n e t r a t et h e o u t e rs k i no fs p a c e c r a f ta n dc a u s ei n t e m a l c h a r g i n g t h e yc a nc a u s es p a c e c r a f t a n o m a l i e so rd e s t r o ya s p a c e c r a f tc o m p l e t e l y u s i n gc o m b i n i n go b s e r v a t i o n a lr e s u l t sf r o mt h ea c e g o e s l 0a n dl a n l l 9 9 7 s a t e l l i t e s ，w eh a v es t u d i e dt h ec h a n g e so ft h ei n t e r p l a n e t a r yf i e l d ( i m f l ，s o l a rw i n d ， d s fi n d e x a ei n d e xa n df l u x e so ft h er e l a t i v i s t i ce l e c t r o n s 忸1 m e v ) i nn l ee a r t h s m a g n e t o s p h e r ed u r i n gt l l e i n t e r v a lb e t w e e no e t o b e ra n dn o v e m b e r , 2 0 0 3 n l e c o m b i n i n go b s e r v a t i o n a ir e s u l t ss h o wt h a tt h ef l u xo ft h er e l a t i v i s t i ce l e c t r o n sc a n i n c r e a s e sa n de x c e e d st h ep r e s t o r ml e v e li u s td u r i n gr e c o v e r yp h a s eo ft l l es t o r m s i n c l u d i n gm a n yp r o l o n g e ds u b s t o r ma c t i v i t i e s f u r t h e r m o r e ，t h el a r g e rt h ef l u xo f t h e e l e c t r o n sw i t he n e r g yb e i n gl e s st h a n3 0 0k e vi s t h el a r g e rt h ef l u xo ft h er e l a t i v i s t i c e l e c t r o n si s ，w h i c hs h o w st h es u b s t o r m i n i e c t i o ne l e c t r o n sw i t he n e r g yb e i n gl e s st h a n 3 0 0k e v m a y b ea n i m p o r t a n ts o u r c eo f t h er e l a t i v i s t i ce l e c t r o n s s o m ee l s eo b s e r v a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e a ko ft l l er e l a t i v i s t i ce l e c t r o n n u x e si sa ta b o u tl = 4 5a n de n h a n c e dw h i s t l e r m o d ew a v e si nt h ef r e q u e n c y r a n g eo 1 l e f 妄o 7 5 l o rf a s tm o d e w a v e s ( i e ，c o m p r e s s i o n a lu l f w a v e si n t h ef r e q u e n c yl a r l g eo fb e t w e e nt h ep c 4a n dp c 5p u l s a t i o n s ) f i r eo b s e r v e dd u r i n gt h e s t o r mt h a ti sa s s o c i a t e dw i t hr e l a t i v i s t i ce l e c t r o nf l u xe n h a n c e m e n t 7 】 h s t h e e l e c t r o n sc a nr e s o n a t ew i t ht h ew a v e sw h e nb o t ht h ee l e c t r o n sa n dw a v e ss a t i s f yt h e r e l a t i v i s t i cr e s o n a n tc o n d i t i o n s ，w h i c hs h o w st h a ts o m en o n a d i a b a t i ca c c e l e r a t i o n s p o s s i b l yc a u s et h ef l u xe n h a n c e m e n t so f t h er e l a t i v i s t i ce l e c t r o n s i nt h eq u a s i - l i n e a r a p p r o x i m a t i o n ，w es t u d ye l e c t r o na c c e l e r a t i o np r o c e s sg e n e r a t e db yw h i s t l e r - m o d e a n dc o m p r e s s i o n a lu l f ( f a s tm o d ew a v e s ) t u r b u l e n c e sn e a r 血ee a r t h ss y n c h r o n o u s o r b i t t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si n e l u d et h r e ed i f i e r e n tc a s e sa st h ef o l l o w i n g ： f i r s t l y , t h ew h i s t l e r - m o d ew a v e sc a ni n t e r a c t w i t hs o m es u b s t o r a li n j e c t i o n e l e c t r o n sw i t hs e v e r a lh u n d r e d so fk e vv i at h e c y c l o t r o n r e s o n a n c ew h e n c o m p r e s s i o n a lu l fw a v e sd o n te x i s to rm e va r ev e r y w e a ki ns o m er e g i o ni n m a g n e t o s p h e r e e l e c t r o n sa c c e l e r a t e db yw h i s t l e r - m o d ew a v e sa r em a i n l ys u b s t o r m i n j e c t i o ne l e c t r o n st h a ta r ec a l l e d “s e e de l e c t r o n ”t h i sm e a n s t h a ts u b s t o r mi n j e c t i o n e l e c t r o n sc a nb er e g a r d e da ss e e de l e c t r o n st h a tc a nb ea c c e l e r a t e db yw h i s t l e r - m o d e 磁层相对论电子通量增强事件的观测和理论研究 w a v e s t h ee l e c t r o na c c e l e r a t i o nb yw h i s f l e r - m o d ew a v e si si m p o r t a n ti nl o w d e n s i t y r e g i o no u t s i d e t h e p l a s m a p a u s e i n ac l o s e d p h a s es p a c e ，t h e “s e e d e l e c t r o n a c c e l e r a t i o nb yw h i s t l e r - m o d et u r b u l e n c ei sm o r ee f f e c t i v ef o ra b o u th a l fo ft h ed a y , a n dt h et o t a la c c e l e r a t i o nt i m ei sa b o u t3 6h o u r s w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h e o b s e r v a t i o no fr e l a t i v i s t i ce l e c t r o nf l u xe n h a n c e m e n t sd u r i n gr e c o v e r yp h a s eo ft h e m o s ts t o r m s s e c o n d l y , i ft h e r e a r e o n l yc o m p r e s s i o n a l u l fw a v e si ns o m er e g i o ni n m a g n e t o s p h e r e ，t h ec o m p r e s s i o n a l u l fw - a v e s ( 2 1 5 m h z ) c a na c c e l e r a t eb o t h l o w e r - e n e r g yb a c k g r o u n de l e c t r o n s ( 7 的距离上，由于实际磁场对偶极子场模式的偏离较远，带 电粒子在还没有完成一周漂移就逃逸出磁层，不能成为捕获粒子( 称为准捕获粒 子) 。地球磁场的捕获区和部分准捕获区组成了地球的辐射带。辐射带中充满了 被捕获的高能带电粒子。内辐射带的主要成分为能量范围在0 1 4 0 0 m e v 之间的 质子；外辐射带中占优势的是电子，电子的能量大约为0 0 4 7 m e v 。 常用的辐射带经验模式是辐射带粒予通量模式，它是在太阳活动高年或低年 条件下用来计算给定粒子能量e 和磁坐标( l ，b 或，_ 8 鼠，坟为磁赤道处的磁 场强度，) 时的粒子积分和微分通量。最新的静态模式分别足a e 一8 电子模式和 a p 一8 质子模式。a e - 8 电子模式在太阳活动高年为a e 一8 m a x 模式，其中，其内外 辐射带的电子全向积分通量峰值分别出现在l = 1 5 2 0 和l = 3 0 5 0 区域内。 图1 1 2 给出了子午面辐射带在磁层中的大概位置和基本形状，其中内辐射 带的核心区域为1 1 三2 ；外辐射带的核心区域为3 l 7 ，外辐射带的纬度 约为南北5 5 7 0 度以内；内外辐射带之间粒子辐射强度较弱的区域成为槽区 ( 2 l 3 ) 。红线为地球磁力线，白线为磁层顶位置，黄线为太阳风等离子体 流，兰线为弓激波。内辐射带的下边界高度随地磁场状况的不同而变化，在南大 西洋上空( 地磁负异常区域) ，由于偶极子偏移造成该区域的地球磁场较弱，该 下边界可以低达2 0 0 k i n 左右，所以较多的粒子沉降进入大气层，成为南大西洋异 常( s o u t ha n a n t i ca n o m a l y ，简称s a a ) ，丽在东亚地磁强异常( 或正异常) 区 则在1 0 0 0 k m 以上。 磁层相对论电子通量增强事件的观测和理论研究 图1 1 ，2 子午面内辐射带位置示意图 地球辐射带强烈地受到行星际磁场、太阳风流和弓激波的动态调节。内辐射 带相对稳定，而外辐射带则随着太阳风流和地磁活动变化。在不同的行星际和地 磁条件下，外辐射带中电子的能量和通量都不一样。外辐射带电子的数量不仅经 历着外磁层电子不断地向内输运补充着，它们还会由于漂移到磁层顶的损失或由 于波的投掷角扩散进入损失锥而减少。通常，外辐射带电子的平衡由源和损失决 定着 l e m a i r e e t a l ，1 9 9 7 1 ，即： 告= 只( ，l ，) 一鼻( ，l ，e ) ( 1 1 2 ) 其中，是电子的分布函数；只( ，l ，e ) 是电子的源项，曩( ，l e ) 足电子 的损失项；e 是电子的能量。在磁暴亚暴期间，出于磁场、电场和等离子体波 的扰动都会影响高能电子的源项和损失项的大小，所以外辐射带高能电子的通量 常常会发生巨大的变化。 1 2 磁层相对论电子通量增强事件及其危害 日地空间是一个整体，太阳的很多爆发性活动或行星际空间的扰动都会强烈 地影响地球磁层的磁场、电场、波和粒子的活动。当门冕物质抛射磁云( c m e m c ) 、 共转相互作用区( c i r ) 、行星际激波( i s ) 、太阳风高速流或南向行星际磁场作 用地球磁层时，磁层中常常会产牛磁暴亚暴活动和各种等离子体波活动。在此 第一章磁层相对论电f 通量增强事件及特征 期间，外辐射带( 3 l 7 ) 中的相对论电子( 能量e l i e v ) 通量也经常出现显 著的变化( 如图1 2 1 所示) 。 恻1 2 12 0 0 3 年7 - - 8 y 期间，行星际总磁场( a ) 、行星际磁场南北向分量( b ) 、太刚风速 度( c ) 和太阳风电子微分通量( d ) 的变化、d s t 指数变化( e ) 和地球同步轨道高度相对论电子积 分通量( f 、g ) 的变化 图1 2 1 是在2 0 0 3 年7 8 月期间，行星际总磁场( a ) 、行星际磁场南北向分 量( b ) 、太阳风速度( c ) 和太阳风电子微分通量( d ) 的变化、地磁d s t 指数变化( e ) 和地球同步轨道高度相对论电子积分通量( f 、g ) 的变化。从图可以看出，在7 8 月，伴随着行星际磁场的南向扰动和高速( k ，5 0 0k m s 。1 ) 太阳风流的到来， d s t 指数出现了大约四次明显的扰动( d s t 一5 0 n t ) ，说明发生了四次中等强度 的磁暴活动，第一次发生在7 ) 91 0 2 4 日，第二次发生在7 月2 5 至8 d 6 日，第三次 9 磁层相对论电子通量增强事件的观测和理论研究 发生在8 月7 1 7 同，第四次发生在8 月1 8 2 8f 1 。对应着每次d s t 指数的扰动， 在地球同步轨道附近g o e s i o 测得能量大于0 6 m e v 和大于2 m e v 的相对论电子的通 量都出现了显著的变化。通常是在磁暴主相期间( d s t 指数减小直到最小值) ， 相对论电子的通量减小；在磁暴恢复相期问( d s t 指数增大直到为零) ，相对论 电子的通量出现增长。虽然在每次磁暴恢复相期间，相对论电子的通量都出现了 不同程度的增长，但是只有在第二次和第四次磁暴恢复相期间，相对论电子的通 量才增长到超过暴前水平值( 如图1 2 1 浅绿色阴影区域所示) 。通常把磁暴恢复 相期间相对论电子的通量增长到暴前水平的1 0 1 0 3 倍的现象称为磁层相对论电 子通量增强事件，简称r e f e e s ( r e l a t i v i s t i ce l e c t r o nf l u xe n h a n c e m e n t e v e n t s ) b a k e re ta 1 ，1 9 9 8 ：b l a k ee ta 1 ，1 9 9 7 ：l ie ta 1 ，1 9 9 9 ：r e e v e s ， 1 9 9 8 ：z h o ue ta 1 ，2 0 0 1 ：s e l e s n i c ka n db l a k e ，1 9 9 8 ：i l e se ta 1 ，2 0 0 2 ：c a o e la 1 ，2 0 0 2 。 从2 0 0 3 年7 8 月地球同步轨道附近相对论电子通量的变化也町以看出，磁层 相对论电子通量增强事件和磁暴并不是一对+ 的关系。磁暴活动( 如d s t 绝热效 应) 只是造成磁层相对论电子通量变化的一个重要因素。在磁暴前后，相对论电 了：的通量可能出现三种变化，一种是和暴前相比相对论电子的通量减少了；另一 种是保持不变；最后一种是增长到超过暴前水平。另外，当太阳风中的高能电子 通量增长时，地球磁层内部的相对论电予通量并不会都出现增长。例如在8 月1 9 2 2 曰，a c e 卫星测得的能量在0 0 3 8 o 3 1 5 m e v 的电子通量出现了巨大的增长，但 是此时地球同步轨道附近的相对论电子的通量却衰减到一个极小值。这说明磁层 相对论电子通量增强和行星际空间的高能电子并没有直接的关系。 外辐射带电子的通量强烈地受到太阳活动的影响，相对论电子通量增强变化 具有明显的一个太阳周期( 2 7 天) 的特征( 如图1 2 2 所示) ，这种特征和横越 太阳赤道的冕洞形成有关。另外，图1 2 2 说明 r e e v e se ta 1 ，1 9 9 8 ，磁层相 对论电子通量增强事件的爆发十分频繁，仅仅在1 9 9 2 1 9 9 5 年期间就测量到了 3 0 多次很强的相对论电予的通量事件。特别是1 9 9 4 年、1 9 9 7 年和1 9 9 8 年分别 爆发的几次较强的相对论电子事件，其电子的通量的变化较大，且能谱较硬，最 终造成了许多国家的卫星操作异常甚至完全毁坏( 如表1 2 所示) 。由于相对论 电子的通量增长较大，而且这种高通量的持续时间较长，强相对论电子能直接穿 过各种航天器的表面并嵌入材料内部，甚至渗入绝缘体( 如电缆等) 内部，嵌入 的电荷慢慢地泄漏并在材料内部建立起放电点，造成严重的电磁干扰信号或物理 损坏，从而危害卫星的正常运行和使用寿命。另外，从磁层中沉降的相对论电子 能渗入到低高度，从而引起中层大气的离化和化学变化，使大气臭氧含量减少等 等。因此，磁层相对论电子通量增强事件的产生机理成了空间物理研究的一个重 要课题。 1 0 第一章磁层相对论电子通量增强事件及其特征 图1 2 2 在1 9 9 2 1 9 9 5 年期间，地球同步轨道附近相对论电子( 1 8 3 5m e v ) 通量的变化 ( l a n l l 9 8 9 0 4 6 卫星) 和y o h k o h 卫星在2 3 0 3 5 0 大这段时间对太阳冕洞的x 射线成像。 表1 2 相对论电子事件空间灾害记录 ( 卫星深层充电效应) 事件时间 卫星灾害 1 9 9 8 年4 月德国科学卫星e q u a t o r s5 月1 日，卫星完全报废。 1 9 9 8 年5 月日本g m s 卫星5 月4 至7 日，1 0 多次操作异常。 1 9 9 8 年5 月美国通讯卫星g a l a x y 一4 5 月1 9 日2 2 0 0 u t ，姿态控制系统及其备份 系统失灵，卫星完全报废，损失约2 5 亿美 元 1 9 9 7 年1 月美国通讯卫星t e l s t a r 一4 0 11 月1 1 日1 2 0 0 u t ，卫星完全报废。 1 0 日 1 9 9 4 年1 月加拿大通讯卫星 2 0 日1 4 4 3 u t ，动量转动控制电路系统受损， i n t e l s a t k 姿态控制火灵，专用备份系统后恢复控制。 1 9 9 4 年1 月加拿大通讯卫星a n i ke 12 0 日1 7 3 5 u t ，动量转动控制电路系统受损， 姿态控制失灵，8 小时调艇并专用备份系统 后恢复控制。电视、广播、电话、科学数据 网受影响达儿小时到儿大。 1 9 9 4 年1 月加拿大通讯卫星a n i ke 2 2 1 日0 2 l o u t ，动量转动控制电路系统受 损，姿态控制失灵，备份系统也失灵，卫晕 完全报废。 磁层相对论电子通量增强事件的观测和理论研究 1 3 磁层中相对论电子的空间分布及地方时变化 通常，在太阳活动的下降相( 而不是在太阳黑子极小值) 期间，横越赤道的 冕洞被很好地发展起来，这样的冕洞常常会产生高速的太阳风流。当高速的太阳 风流或南向行星际磁场作用地球磁层时，磁层发生磁暴亚暴活动，此时，整个 外辐射带中的相对论电子通量都会发生变化。外辐射带中能量小于3 0 0 k e y 的较 低能电子的通量紧密地跟着太阳风变化，它们显然是磁层亚暴活动的产物。虽然 能量高于3 0 0 k e y 的高能电子也被太阳风流调制着，但是它的通量峰值明显地滞 后于亚暴的增长。 图1 3 1 是在1 9 9 6 年全年，卫星s a m p e x ( 轨道高度：5 2 0 x 6 7 0 k m 倾角：8 2 0 ) 测得的不同三区域的能量为2 6 m e v 的电子计数率的对数值( 上) 和飞船w i n d 探测到的太阳风速度( 下) 随时间的变化 b a k e re ta ，1 9 9 8 。从图可以看出， 在1 9 9 6 年3 月末至4 月期间，随着高速太阳风速度( 大约超过5 0 0 k m s 。1 ) 的到 来，外辐射带中的相对论电子通量出现了显著的增强，相对沧电子的计数率增加 了1 至3 个数量级。相对论电子的通量峰值在l = 4 5 附近，且通量的增长时间 大约为一天左右，其高通量持续了数十天。在5 7 月，太阳风的速度减小到很 低的水平，辐射带相对论电子的计数率也衰减到比较小的值。从1 9 9 6 年的8 月 至l o 月，再次出现了许多次太阳风高速流事件，相应地，外辐射带相对论电子 的计数率又出现了强烈的增长现象。和太阳风速度扰动相关的磁层相对论电子通 量显示出较强的2 7 天太阳旋转周期性，并且它和周期性的地磁暴密切地联系在 一起。 图1 3 1 在1 9 9 6 年，卫星s a m p e x 测得的不同三区域的能鼍为2 6 m e v 的电子计数 率的对数值( 上) 和飞船w i n ) 探测到的太阳风速度( 下) 随时间的变化。 第一章碱层相对论电子通量增强事件发其特征 显然，磁层相对论电子的长期变化直接受到太阳风速度的调制，特别是在外 辐射带的核心区域( 3 l 7 ) ，相对论电子的计数率变化最为显著。另外，从 图1 3 1 也可以看出，内辐射带( 核心区域1 1 l 2 ) 和槽区( 2 三 3 ) 相 对论电子的计数率很低，而且这两个区域的电子计数率在太阳风速度扰动区f i j 几 乎没有什么变化。 不仅磁层中不同三区域的相对论电子通量大小不同，甚至在不同的地方时， 磁层相对论电子的通量增长快慢和数量都是不相同的。譬如在1 9 9 7 年1 月1 0 1 1 日，一个“h a l o ”目冕物质抛射( c m e ) 被s 0 0 和w i n d 飞船观测到。由于卫 星很快地穿越c m e ，所以c m e 可作为一次磁云( m c ) 事件。磁云的前沿携带着南向 行星际磁场( i m fb ，) ，磁云尾半部分携带着个较强的北向磁场。当磁云通过 地球磁层时，南向行星际磁场通常产生强烈的亚暴活动并且注入能量小于3 0 0 k e v 的亚暴电子同时触发了一次中等强度的磁暴活动( 1 0 0sd s t 5 0 n t ) ；而北向 磁场和高密度太阳风则可以压缩磁层。r e e v e se ta 1 1 9 9 8 研究发现，在此次 磁云对地球磁层的突然作用后，磁层中出现了磁层相对论电子通量增强事件。 图1 3 2 地球同步轨道附近，不同地方时的相对论电子通量随时间的变化 图i 。3 2 给出了1 9 9 7 年1 月l o 1 1 日期间磁层相对论电子通量的快速增长 在不同的地方时随世界时的变化 r e e v e se ta 1 9 9 8 。相对论电子的通量增长 首先发生在1 9 9 7 年1 月1 0 日中午l l 1 3 l t ( 如灰黑色方块图所示) ，其通量值 大约为1 0 3 ( c 酽s s r ) ，而此时傍晚的电子通量值比较低( 如蓝色点线所示) ， 大约为2 3 1 0 1 ( c m 2 s s r ) ：紧接着中午的增长之后，傍晚部分电子的通量也 磁层相对论电了通量增强事件的观测和理论研究 出现了增长：最后才看到黎明侧相对论电子的通量增长( 红色点线) 。这些现象 说明相对论电子通量的增长在中午早于傍晚，而相对论电子通量在傍晚增长早于 黎明。相对论电子通量在不同地方时增长的先后顺序可能是电子的漂移造成的。 最后，由于夜侧( 2 3 一0 1 l t ) 一次强的磁场扩张，从而造成了夜侧相对论电子的 通量减少了大约两个数量级( 如绿色方块图所示) ，在几分钟之后，午夜区电子 的通量几乎和傍晚的相等。 另外，r e e v e se ta 1 1 9 9 8 3 用两颗卫星的通量采用线性插值法得到同步轨 道附近电子通量的地方时分布和世界时变化，其结果如图1 3 3 所示。在1 月1 0 r1 2 0 0 u t 以前，电子的通量是非常低的。与傍晚和黎明相比，通量的初始增长发 生在中午。在磁云通过地球之后，相对论电子的通量峰值明显向附近的地方时移 动了，而且午前午后电子的通量峰值分布是非常不对称的。电子的通量分布不对 称性反映出磁层磁场的不对称性变化，磁层的不对称性使电子的漂移壳发生分 离，而不是使当地“注入”的电子只在一个特定的漂移壳上运动。 幽1 3 3 同步轨道附近，能量大于2 m e v 的电子的通鼍数据合成图。电子的通鼍最为当地时 的函数随着世界时变化。 电子的最高通量出现在1 月l of ：；j 】9 3 0 u t 至1 1 日0 1 2 0 u t 之间。在中午和傍 晚，电子的通量保持较高的水平。另外，从图1 3 3 也可以看出，在1 月1 0 日 0 2 0 0 u t 和2 2 0 0 u t ，卫星1 9 9 0 0 8 4 在夜侧测得了电子通量减少导致的空洞。同样， 电子通量在1 1 日1 2 0 0 u t ( 当地的傍晚，即1 9 0 0 l t ) 也有较宽的减少。在1 1 日接 近黎明的0 2 0 0 u t ，由于磁层顶的压缩又导致了电子通量的减少。此后，相对沦 电子的通量在地方时为3 1 5 的磁层区域保持着较高的水平。 第一章磁层相对论电子通量增强事件披其特征 1 4 相对论电子的投掷角分布及其演化 磁暴期间，外辐射带中的电子的变化是十分复杂的。除了电子的通量在磁暴 不同的阶段会发生不同的变化之外，电子的能量和投掷角分布在磁暴的不同阶段 都不尽相同。h o r n ee ta 1 1 2 0 0 3 1 年调查了1 9 9 0 年1 0 月9 1 5 日磁暴期间由c r r e s 卫星测得的能量在0 1 5 1 4 8 m e v 电子通量的变化。从图1 4 1 h o r n ee ta 1 ， 2 0 0 3 3 可以看出，整个磁暴主相期间，外辐射带( l 3 5 ) 能量为1 0 9 m e v 的电 子通量有一个显著的下降，此后，由于d s t 指数恢复到一5 0 n t ，电子通量又出现 了一次恢复。然而，整个随后的小磁暴期问( d s t 指数在一5 0 n t 附近波动) ，能 量在m e v 的电子持续增加并超过暴前水平，这说明m e v 电子的通量变化并不是仅仅 由绝热效应造成的。必定还有一些其他过程使相对论电子的通量增加。在主相开 始的首先的几个小时内，较低能( 2 1 4 k e v ) 的电子通量增加，但是直到d s t 指数 最小时，其通量和暴前相比有一次轻微的减小。然后，在能量为m e v 电子通量增 长前，较低能电子的通量增加到超过暴前水平。另外，在整个磁暴恢复相开始期 间，内外辐射带之间的槽区( 三* 2 3 ) 也被能量为2 1 4 k e v 的电子填充。 伴随着能量电子通量的变化，电子的投掷角分布也会出现显著的变化。图 1 4 2 给出了在不同工区域电子的投掷角分布 h o r n ee ta 1 ，2 0 0 3 。在内辐射 带三= 2 的地方，所有能量的电子的投掷角分布出现在3 0 0 口s 1 5 0 0 范围内，其 分布峰值在出现在9 0 0 附近，较小( 或较大) 投掷角分布很快掉入损失锥；而且 在整个磁暴前后，电子的通量变化和投掷角变化很小。在工= 3 的区域，在磁暴 前和磁暴主相开始期间( 1 8 2 1 8 5 轨) ，能量小于3 0 0 k e y 的较低能电子的投掷角 分布呈现9 0 0 的峰值分布：在磁暴主相晚期和恢复相早期( 1 8 6 1 8 7 轨) ，其投 掷角分布较平坦。在三= 4 的区域，磁暴前能量较低的电子投掷角分布为薄饼状， 但是能量较高的电子具有相对平坦的投掷角分布；直n 1 8 5 轨，能量低于7 0 0 k e y 的电子的投掷角分布峰值在9 0 0 附近，这些峰值和磁暴主相开始时出现的一次通 量增加是一致的；能量大于1 m e v 的电子的投掷角保持相对平坦的分布，并没有注 入证据。在整个磁暴主相期问( 1 8 6 轨) ，伴随着低能量电子通量的一次增加和 高能( 高于7 0 0 k e y ) 电子通量减小，投掷角分布呈现各向同性，这说明磁层中存 在较强的投掷角扩散。 在磁暴恢复相初期( 1 8 7 轨) ，所有能量范围的电子通量增加，但是较低能 量的电子通量增加比较高能量的增加发生在较宽的投掷角范围内，说明电子的投 掷角分布变化是和能量相关的。在高能部分，投掷角有一个非常宽的平顶，但是 还没到损失锥之前，电子的通量就出现非常快的f 降。在低能部分，通量并不很 快向损失锥衰减。由于通量增加是在固定时间和固定地点，所以投掷角分布应该 反映出加速过程的特征。在以后的儿轨，较高能量的电子通量继续增加，并且各 种能量的电子投掷角分布都变得较平坦，说明磁暴恢复相期间，电子的分布函数 几乎是各向同性的。 磁层相对论电子通量增强事件的胤涮和理论研究 圈1 4 1 在1 9 9 0 年1 0 月，c r e e s 卫星穿越辐射带的l 位置和磁纬以变化、能量分别为 1 0 9 m e y 、2 1 4 k e y 和1 4 3 k e v 晰的垂直通量( 投掷角为9 0 度) 、频率为0 。l 3 5 的高。在磁暴主相期间，所有工区域的电子 各项异性指数都突然增大到很高水平，电子的通量下降。在磁暴恢复相期间，电 子的各项异性指数减小，且胛值最终小于暴前水平。这说明磁暴主相后期至整个 恢复相期间，电子可能经历了某种投掷角扩散过程。 1 8 第一章磁层相对论电子通量增强事件及其特征 图1 4 3 在不同的区域，能量大于2 5 0 0 k e v 的电子的通量和各项异性指数一的时间变化。 阴影区域代表电子的通量( 左轴) ，而实心圆细线代表各项异性指数( 右轴) 。 1 5 磁暴期间相对论电子的相空间密度变化 在磁暴期间，磁层相对论电予通量的变化很好地反映了电子的相空间密度的 变化。通常，投掷角为口且能量为e ( 即动量为p ) 的电子的相空间密度与电子 的微分通量的关系式为： 倒删= 学 ( 1 5 ” 这里，m 2 互箸百是电子的第绝热不变量磁矩不变量，m e 是电子的质量， p 是电子垂直于磁场的动量，曰是当地的磁场强度；，= e ”一i 出是电子的第 磁层相对论电了通量增强事件的观测和理论研究 二绝热不变量积分不变量，s 。、s