地磁场的扰动需要外界的驱动源，而CME 携带着太阳日冕物质，具有很强的磁场和超过背景太阳风数倍的速度，它与地磁场相互作用形成物质和能量向此层的注入，形成一系列综合的空间物理效应，其中地磁暴是最显著的扰动事件^[1-3].在第23太阳活动周中，共有9天的Ap指数超过100，全部是由强的全晕CME 引起(http://www.swpc.noaa.gov/ftpdir/indices/old_indices)，并且都伴有行星际高能质子通量的增长和强太阳质子事件(http://www.swpc.noaa.gov/ftpdir/indices/old_indices).Verma等(2009)^[4]的统计工作显示，1998—2005年的15次Dst<-200nT 的强地磁暴中，14 次均与CME 所引发的激波有关，而且这些激波均为前向激波，比例达到93.3%.而且，CME 在到达并影响地球前，有一个在行星际传输的过程，这样就为预报CME 将会引发的地磁暴提供了1—2 天的提前量.因此，对CME 的判识，对其对地有效性的认证就成为进行相关地磁暴预报的关键.

CME 对粒子的加速是确认CME 激波的重要标志，薛炳森等(2006)^[5] 将ACE/EPAM 1 ~1.69 MeV能道质子通量作为非重现性地磁暴的主要预报参数，并构建了地磁暴预报模式.Reames(1999)^[6]则对CME 加速高能粒子的原理和过程进行了综合描述，他将太阳高能质子通量的增长划分为脉冲型和缓变型两种，尽管目前对这种划分仍有很多争论，但普遍接受的观点认为，缓变型事件是通过Fermi加速机制(又称为扩散激波加速机制)而形成的.激波是由CME 所激发，带电粒子可以通过扩散加速机制被激波加速到MeV 量级，随着激波的传播、扩散和衰减，被加速的粒子可从激波的束缚中逃逸到行星际介质中.实际观测中，离子的电荷态显示高能粒子来自日冕，其温度约为2×10⁶K，也与日冕相似，证实这部分高能粒子为日冕物质.

一般认为，激波对带电粒子的加速是通过一阶Fermi加速实现的，也称为激波扩散加速，即由于磁场的湍动，如Alfven 波等，带电粒子在激波的前沿和后沿之间来回反射，平均每次弹跳离子获得的动量为mΔv，其中，m为粒子质量，Δv= |v₂ -v₁| 为激波上下游的速度差.因此，决定粒子能量的参数主要是激波的速度和粒子在激波中来回弹射的时间，而后者取决于激波的强度和结构.

Zank等(2000)^[7]建立了一维模型，对激波对离子的加速过程进行了模拟，结果显示，被加速的离子将先于激波到达1AU;Li等(2003)^[8]利用ACE、WIND 卫星的观测结果进一步确认了激波加速离子模型的计算结果.Rice等(2003)^[9]建立的二维离子加速模型模拟了CME 驱动的激波，及其引起的带电粒子的加速过程.结果显示，强激波可以在太阳附近将质子加速到GeV 量级，被加速的粒子能够在一定条件下逃离激波区域，然后沿行星际磁场向外运动;而且径向方向的CME加速出的高能粒子会比东向CME所加速的相同能量的离子更快到达1AU.

Aran等(2006)^[10] 根据CME形成的激波加速带电粒子的理论构建了太阳粒子工程软件SOLPENCO，可以对粒子的加速过程进行模拟，能够给出高能粒子在空间中的分布和能谱，作为实例，文中给出了他们对2000年4月4—6日期间CME 加速所造成的地球附近的高能质子通量的模拟结果，并与当时ACE/EPAM 实测的响应能道的通量值进行了比较，结果显示，模式的计算结果在通量幅度和演化趋势方面均与实测值相符.这进一步证实了CME 对带电粒子加速过程的存在.

随着行星际高能粒子探测卫星的增加和数据的不断积累，一些科学家开始研究将行星际高能离子通量的上升作为判识CME 是否朝向地球运动，进而预报地磁暴的先兆因子.Lam(2009)^[11]对1997—2005年期间的全晕(halo)CME 之后ACE/EPAM各能道高能离子通量变化与加拿大地区的地磁扰动进行了统计分析，发现地磁扰动幅度与离子通量的增幅正相关，而且几次大地磁暴之前，ACE/EPAM离子通量都有巨幅增长.Valtonen等(2005)^[12]则分析了SOHO/ERNE 的1~110 MeV 的高能质子通量数据在全晕CME 到达地球之前的变化，证实了强地磁暴之前数小时都会有高能质子通量增加的现象，可以作为地磁暴的先兆特征.另外，还有利用ACE 的EPAM/P1(47~65keV)的峰值通量f_max及当时的行星际磁场B进行地磁暴预报的方法^[13]，他们的统计表明，以f_max>10⁶ cm^-1 ·s^-1，|B|＞20nT 作为条件，对强地磁暴(Kp>7)的预警准确率超过83%.因此，行星际高能粒子既然是CME加速的产物，必然与CME的内在特征存在联系，通过分析CME到达地球之前的高能离子通量变化特征是提前感知CME，进而预报地磁暴的重要线索.

综上所述，理论模拟计算和卫星实测数据都证明，CME 所形成的激波具有加速带电粒子的能力，粒子通量的变化能够反映CME 的速度等参数特征.但目前利用行星际高能粒子的通量反推CME特征，进而预报地磁暴的工作仍不多.本文认为，行星际的高能粒子通量的增长变化形态是CME 激波加速形成的，包含了许多CME 的信息，特别是粒子的能谱，反映了CME 对粒子的加速能力，是后续地磁暴预报的重要数据.在实际应用中，CME 的发生位置、喷发方向、宽度、运动速度、磁场强度等因素都会影响L1点监测到的高能粒子通量.反过来，通过分析L1点探测到的高能粒子通量的变化，结合日冕仪得到的CME 的形态和运动信息，能够对CME的结构进行定性描述，并应用于CME 的对地有效性的评估.

而对CME 加速过程的分析就需要对行星际不同能量的高能粒子的通量进行连续监测，受限于当前的探测水平，对行星际高能粒子的监测数据主要来自ACE 卫星，本项研究中选取的粒子是1 MeV左右的高能质子.ACE 卫星定点于日地连线上距地球1500000km 的L1 点，其上搭载的电子/质子/α粒子探测器(EPAM)是一套综合监测设备，可以对中高能带电粒子通量进行连续监测，其中的LEMS30望远镜是针对中高能质子通量的监测设备，分8个能道，其指标如表 1 所示.本文主要参考了P5—P8能道的监测值.

表 1(Table 1)

表 1 ACE/EPAM高能质子探测器能 Table 1 Energy channel of the energetic proton detector of ACE/EPAM

表 1 ACE/EPAM高能质子探测器能 Table 1 Energy channel of the energetic proton detector of ACE/EPAM

本文除了考虑P5—P8能道的通量变化外，主要针对质子的能谱进行了分析.通过统计分析，发现上述4个能道的通量分布可以用指数，即F=aE^b的能谱公式进行模拟，其中F为通量，E为通道能量中值，a、b为能谱拟合系数，称b为行星际高能质子的能谱指数.

CME 是大地磁暴的主要起因，而CME 在太阳附近运动时是加速粒子的最重要阶段，被加速出的带电粒子逃逸到行星际，是我们了解CME 结构参数，进而判断其对地有效性的重要信息.从数据统计来看，特别是太阳活动高年，行星际中1 MeV 左右的高能质子通量变化非常剧烈，但其能谱的变化却在一定的范围内.图 1为1998—2010年一个太阳活动周中的行星际高能质子能谱的日均值，可以看到1998—2003年，太阳活动处于上升段和峰值段，能谱指数的变化较为剧烈，但主要集中于-2.6左右，通过比对，能谱指数大于-2.0的时段都有CME 活动相对应.2003—2006年为第23周的下降段，能谱指数的振幅也变小，而2006年以后，随着太阳活动进入低年，能谱指数基本维持在-3.0 左右.因此，通过数据分析本文认为，尽管在太阳活动高年能谱指数的变化幅度较大，但在相对较短的时期内，如1个月，行星际高能质子的能谱指数相对于质子通量的变化还是相对稳定的.另外，能谱指数的明显增加都对应着CME 事件，因此可以通过能谱指数的相对变化幅度来区分是否有CME 加速过程.

图 1

Fig. 1

图 1 1998—2010年的一个太阳活动周中高能质子能谱指数的变化 Fig. 1 The evolution of energetic proton spectrum index during 1998——2010

CME 对高能质子的加速在质子通量的增加幅度方面差别很大，但高能质子通量及能谱指数的变化过程则是比较类似的.

2010年4月3日9∶54UT，日冕上11059活动区(S22W15)暴发了一次B7级耀斑，该耀斑持续时间长达2小时以上，并伴有全晕(halo)CME，初始速度为500km/s 左右.3 日12∶00UT 开始，ACE 卫星所搭载的高能粒子探测器(EPAM)所监测到的300keV 以上的三个能道的高能质子通量开始增长，能谱指数开始上升.以310~580keV 能道为例(图 2b)，质子通量的变化过程可分为4个阶段:第1阶段，3 日12∶00—23∶00UT，通量开始缓慢上升，而能谱系数则从-3.5左右迅速上升至-2.7;第2阶段，质子通量快速增加，能谱系数稳定在-2.7左右;第3阶段，质子通量继续缓慢上升，而能谱系数则单调下降，直到5日5∶00UT，质子通量达到1.1×10⁴cm^-2·s^-1·sr^-1· MeV^-1，此时对应着激波的到达时间，能谱系数也达到了极小值;第4阶段，激波跨越ACE所在位置，质子通量快速下降，能谱指数也开始上升，至5日13∶00UT，质子通量稳定在1.5×10¹cm^-2 ·s^-1 ·sr^-1 · MeV^-1，能谱指数恢复到-3.5左右的正常值.

图 2

Fig. 2

图 2 2010年4月3—6日CME事件所对应的行星际高能质子通量U)和能谱指数变化（b) Fig. 2 The evolution of energetic proton flux (a) and spectrum index (b) by the CME during Apr. 3——6, 2010

本文认为，该事件是一次典型的CME 喷发，直至到达地球附近的过程，在此期间，中高能质子通量和能谱的演化充分地反映了CME 对带电粒子的加速过程的特点.在第1阶段，CME 所激发的激波开始对质子加速，但大部分质子仍被束缚在激波区域内，而部分逃逸出的质子的能谱已经体现出粒子能量的增长，表现在质子能谱的快速“变硬";第2阶段中，加速过程持续，被加速并逃逸出激波区域的粒子数量增加，质子通量开始迅速上升;第3 阶段显示，随着CME 的扩散，其对带电粒子的加速能力逐渐减弱，而束缚在激波区域的高能粒子容易进入到行星际空间，因而质子通量仍在缓慢上升，而能谱则开始“变软"，但激波正面会“扫起"一些粒子，所以在激波临近时，质子通量会有一个脉冲式的增加，而激波前堆积的质子以低能成分居多，这将使质子能谱更“软"，这与涂传诒(1988)^[14]的结论是一致的;在第4阶段，激波通过ACE 卫星，随着激波的远离，质子的通量和能谱恢复常态.

通过对多次CME 事件后的高能质子通量和能谱指数演化趋势的分析，大多数CME 事件后，行星际高能质子都会顺序经历上述4 个发展阶段，但各阶段的幅度有所不同.有些CME 事件出现前后追赶、CME 与冕洞共同作用的情况，这时质子通量和能谱指数变化较为复杂，需要进一步的认证方法.

行星际高能质子通量的增长不仅发生在CME驱动的激波形成之后，在数据分析过程中，本文发现，特别是太阳活动低年期间，冕洞高速流形成的激波到达地球时，ACE/EPAM 探测到的高能质子通量也会有增加，但这种增加通常在低能区间更为明显.

图 3是2009年1月29日地磁暴前的高能质子的通量和能谱的演化形态.这是一次典型的由太阳风高速流引发的地磁暴事件，引起这次事件的冕洞已经在日面上稳定存在了3 个太阳自转周，都引发了地磁场的扰动，受其影响，1月29日，地磁Ap指数当日达到了26，Kp指数为7.从激波到达前后的行星际高能质子的通量和能谱演化形态分析，1月28日开始，310~580keV 高能质子通量有一个明显的跃升，与CME 前的特征相反，高能质子的能谱指数由-2.9左右下降到-3.6.1 月29 日12∶00UT 前，质子通量略有下降，能谱指数开始恢复，此后，质子通量再次增长，16∶00UT 左右达到最大值，此时能谱指数为-3.0左右.30日10∶00UT 左右，质子通量开始下降，而能谱指数也稳定在-2.6 左右.可见，冕洞高速流形成的激波之前高能质子的特征是:(1)质子通量的上升与激波到达时间相近;(2)通量上升而能谱指数变化不大甚至下降.这说明，冕洞高速流所形成的激波对高能质子的加速作用不大，但可在激波前形成粒子的堆积，而且，以能量较低的粒子居多.

图 3

Fig. 3

图 3 2009年1月27—31日CME事件所对应的行星际高能质子通量和能谱指数变化 Fig. 3 The evolution of energetcc proton flux and spectrum index by the CME during Jan. 27—31，2009

CME 在日冕中运动时，所激发的激波可加速带电粒子，成为认证CME 的一个显著特征，此后，CME 传播到地球仍需1—3 天的时间，为预测其地球物理效应提供了一定的提前量，因而，通过分析在行星际所接收到的高能质子的通量和能谱变化特征，能够在地磁暴预报中得到应用.

为了验证CME引起的行星际高能质子通量和能谱特征与地磁扰动的相关性，本文对2004年的7次显著的非重现性磁暴前的ACE/EPAM 的数据进行了分析，主要针对地磁暴前P5—P8能道的能谱指数和P5能道的通量变化.统计结果如表 2所示.可以看出，能谱指数的大小与地磁活动的响应没有明确的对应关系，但这些事例中，能谱指数的增加均在20%以上，且P5能道的通量均超过10³cm^-2·s^-1·sr^-1·MeV^-1.

表 2(Table 2)

表 2 2004年ACE/EPAM质子通量和能谱指数与地磁暴的对应关系 Table 2 The correspondence between proton flux and spectrum index and geomagnetic storm in 2004

表 2 2004年ACE/EPAM质子通量和能谱指数与地磁暴的对应关系 Table 2 The correspondence between proton flux and spectrum index and geomagnetic storm in 2004

本文对2004年能谱指数高出背景20%的高能质子通量增加作为CME的特征与其后的地磁活动的变化进行了相关分析，大部分都有较为明显的地磁扰动事件相对应，但高能质子的特征明显程度，如能谱指数的大小和P5能道的通量等与地磁扰动的强度没有明显的显性关系.而且，本文也发现两次高能质子通量的增长没有地磁扰动相对应的事件，分别发生在1月9日和3月21日，两次事件的能谱指数分别为-1.25和-1.16，分析发现，第一次事件的P5能道质子通量最大值为50cm^-2·s^-1·sr^-1·MeV^-1，而第二次事件虽然最大质子通量达到4×10⁵cm^-2·s^-1·sr^-1·MeV^-1，但相关观测显示该事件为一次暗条消失事件所引起，伴随的是一次偏晕的CME.因此，仅凭行星际高能质子的特征还不能独立地做出地磁暴预报，但质子的通量和能谱指数可以作为地磁暴预报的重要参数.