地球物理学报  2021, Vol. 64 Issue (6): 1842-1856 |
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地球辐射带是围绕在地球周围的充满着大量被捕获的高能带电粒子区域，是许多卫星飞行轨道所在区域，也是探索系外行星航天器飞离地球的必经区域.其中，外辐射带位于L=3~7之间，其内部被捕获的高能电子易受太阳风、宇宙线等影响，处于不断的动态变化中(Baker et al., 2018).MeV能量的高能电子也被称为“杀手电子”，当其通量增强到一定程度时，会对在轨卫星的正常工作和安全造成巨大威胁.外辐射带中存在着一类特殊的物理现象，就是电子通量倒空现象(dropout)，其特征是在一个广阔的能段、投掷角和L范围内，被捕获的电子群通量显著下降的现象(Turner et al., 2012a).这类现象发生时高能电子通量会降至极低水平，当持续时间较长时，可以为卫星的安全和长时间舱外作业提供有效的保障(Wrenn, 1995).揭示这类现象的发生规律既是空间物理学研究的热点，也可以加深对电子在辐射带中加速、损失机制的认识和理解，为预报空间天气提供强有力的科学支持.
辐射带内相对论电子通量具有高度的可变性，可以在从几分钟到几年的时间尺度上发生数量级的变化.长期的变化一般与太阳活动周不同阶段太阳活动水平高低的影响有关，短期的变化则由太阳风和行星际条件决定(Hajra et al., 2014; Hajra and Tsurutani, 2018).目前已有许多工作对辐射带电子长时间通量倒空现象进行了研究.Lee等(2013)通过分析2009年外辐射带电子通量变化发现：外辐射带在这一年当中整体比较平静，发生通量(几百keV至MeV电子)倒空现象数次，最长持续时间高达2个月.这类现象与极弱的太阳风条件有关，在太阳活动低年，长时间平静的太阳风条件大大地减少磁层对流和注入过程，导致等离子层膨胀，甚至可以扩大到地球同步轨道高度.等离子层内的波动，如等离子体层嘶声可以引起电子投掷角散射，使电子最终沉降到地球大气从辐射带中永久损失(Breneman et al., 2015).Pinto等(2018)通过时间序列叠加法对发生在1996-2006年间的21例相对论电子通量长期倒空事件分析得出：低速太阳风、突然增加的质子密度以及事件开始后紧随的IMF Bz分量平均值由南向转为北向的过程是这一类事件的普遍特征.
地磁暴发生期间，外辐射带内高能电子通量通常会发生变化.典型的变化是：相对论电子通量会随着地磁活动的增强，在磁暴主相期间下降，随后在磁暴恢复相阶段增长，在伴随着高强度持续性亚暴活动的磁暴恢复相期间相对论电子通量甚至可能远超暴前水平(李柳元等，2006).Onsager等(2002)通过分析一次中等磁暴期间电子通量的变化发现，在磁暴结束后，只有能量较低的高能电子(E＜300 keV)可以恢复到暴前水平，而较高能量的相对论电子(＞2 MeV)并没有恢复到暴前水平.在外辐射带相对论电子通量对磁暴的响应这一研究领域中，比较有代表性的是Reeves等(2003)关于1989-2000年间对276个中、大磁暴前后，外辐射带相对论电子通量变化的研究工作.其研究结果表明：有53%的磁暴会使同步轨道相对论电子通量增加，19%的磁暴会减少同步轨道相对论电子通量，而28%的磁暴对同步轨道相对论电子通量并没有产生显著的变化.近年来，Anderson等(2015)采用和Reeves等(2003)类似的方法，同样研究了1989-2000年间磁暴前后相对论电子通量的变化情况.不同的是，他们的研究对象是342个小磁暴事件，但也得出了相似的结论，即小磁暴和中、大磁暴一样可以使相对论电子通量增加、减少或者不变.由此可见，磁暴发生与否不能完全决定暴后相对论电子通量的走向，应结合更多的参数综合分析.
以往的研究工作更多地集中在相对论电子通量产生变化的动态过程，即关注点在相对论电子通量显著增强或者损失的阶段，一些研究工作也会采用时间序列叠加法来进行统计研究，或者对单例事件分析其相关的物理机制等(Green and Kivelson, 2004; Borovsky and Denton, 2009; Ni et al., 2016; Pinto et al., 2018).与前人工作不同的是，本文对相对论电子通量长期保持倒空状态这一通量稳定不变的阶段研究其统计特征.首先通过对约1.5个太阳活动周内共62例相对论电子通量长期倒空事件的持续时间和分布情况，研究其对太阳活动水平的响应.在此基础上，对这62例事件进行时间序列叠加法处理，分析开始和结束阶段的普遍特征.同时，也对这些相对论电子通量长时间维持在背景通量水平期间，太阳风条件和地磁活动水平以及一些其他参数的特征进行不同类别事件的对比研究.最后，本文结合相关的物理机制对这类事件特征的统计结果做出可能的、合理的物理解释.
1 数据来源与事件定义本文采用来自Omni数据库5 min分辨率数据来研究太阳风参数的变化情况(包括IMF Bz分量、太阳风密度、速度和动压)，和来自WDC(World Data Center)1 h分辨率数据来判断地磁干扰强度(亚暴AE指数和磁暴Dst指数).文中使用来自SILSO(Sunspot Index and Long-term Solar Observations)的太阳黑子数据来衡量太阳活动水平的高低.
ULF波是一种全球持续性地磁脉动，在磁层能量、质量和动量的输运过程中起着重要的作用(Zong et al., 2017).ULF波动尤其是与辐射带高能电子漂移运动周期相近的Pc5频段波动和粒子的相互作用一直被认为是辐射带电子加速的主要机制之一(Rostoker et al., 1998；李柳元等，2005；宗秋刚等, 2011, 2013).Regi(2016)通过分析2006-2010年间ULF波在Pc5频段波动功率的涨落发现，ULF波动功率在约2天左右的时间延迟上与地球同步轨道高能电子通量变化有强烈的相关性.Friedel等(2002)也展示相关的统计结果，表明磁暴期间至少持续12小时足够强的ULF波功率，是随后地球同步轨道相对论电子增强的最有效指标.此外，与分布范围有限并且不长期存在的波动如合声波、Electromagnetic Ion Cyclotron(EMIC)波等相比，ULF波动有全球广泛分布的特性和可持续观测的优点，利于统计.因此，本文引入Kozyreva等(2007)和Pilipenko等(2017)介绍的ULF波指数(Pc5频段)，来研究ULF波强度可能对相对论电子通量产生的影响.为了更好地对应全球ULF波动强度，避免受卫星磁地方时等因素的影响，本文仅采用地面ULF波指数，即从北半球几十个地磁台站数据重新计算的代表全球ULF波活动强度的指数.此指数相比其他如同步轨道ULF波指数和行星际ULF波指数能更好地反映电子通量的变化(Pilipenko et al., 2017).
受不同卫星发射、运行时间的限制，也为了得到更多有效的长期倒空事件，本文主要研究相对论电子通量在地球同步轨道上的变化，并采用地球同步轨道卫星GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite)对＞2 MeV能段电子通量的观测结果.其中，我们使用GOES-10，GOES-11和GOES-13卫星数据，分别统计2000-2005年，2006-2010年和2011-2016年相对论电子通量长期倒空事件.受Pinto等(2018)工作的启发，我们定义相对论电子通量长期倒空事件为日均通量下降至30 cm-2·sr-2·s-1以下，且持续时间达3天以上，通量无明显随磁地方时变化的现象.与Pinto等(2018)定义日均通量下降至10 cm-2·sr-2·s-1不同，我们放宽这个阈值至30 cm-2·sr-2·s-1，是因为Pinto等(2018)采用5 min原始数据统计2007年前的相对论电子通量长期倒空事件，而我们为了使用GOES-13优化过的1 min科学数据，在文中采用1 min原始数据进行统计.受仪器精度、计数等的影响，2000-2010年间，5 min原始数据计算得到日均通量明显较1 min原始数据计算得到日均通量低(约低10~20 cm-2·sr-2·s-1)；而2011-2016年间，在使用GOES-13卫星数据统计时，二者相差不大，并且在此期间无论是5 min原始数据还是1 min原始数据计算得到的日均通量都没有小于10 cm-2·sr-2·s-1的情况.因此，我们在Pinto等(2018)工作的基础上做了优化，并统计了跨度约1.5个太阳活动周更长时间的事例.在这种筛选条件下，相对论电子通量降低至卫星背景观测通量水平，即相对论电子近乎完全从地球同步轨道上损失.
图 1为相对论电子通量长期倒空事件示意图.图中是2005年10月19日03∶00至10月28日16∶00期间＞2 MeV电子通量的变化，红色部分则为我们所选取的相对论电子通量长期倒空事件.我们以通量开始下降后达到通量最小值的时间点为事件开始的时间点，以通量开始显著增加并在随后的2日内有明显日变化现象为事件结束的时间点.在排除卫星变轨等原因导致电子通量数据缺失和某些缺乏连续的、有效的太阳风参数观测数据的事件后，我们在2000-2016年间共挑选出62例相对论电子通量长期倒空事件，其具体的起止时间和持续时间见表 1.
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图 1 相对论电子通量长期倒空事件的示意图 Fig. 1 The identification of a long-term relativistic electron flux dropout |
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表 1 2000-2016年间地球同步轨道相对论电子通量长期倒空事件列表 Table 1 List of long-term dropouts of relativistic electron flux in geosynchronous orbit from 2000 to 2016 |
图 2所示为表 1中列出的62例相对论电子通量长期倒空事件在不同年份的分布情况.图中红色柱状图为每年发生的长期倒空事件持续时间总和.这里对于起止时间分布在不同年份的事件，则按照其在不同年份实际持续的时间分别统计.图中柱状图上方的黑色数字表示每年发生事件的频次，以事件开始的时间做统计.蓝色折线是以太阳黑子数年平均值表示的太阳活动年平均水平的变化曲线，其中2000-2007年属于第23太阳活动周，2008-2016年属于第24太阳活动周.本文共统计从第23太阳活动周峰年至第24太阳活动周下降期约1.5个太阳活动周期共17年内的相对论电子通量长期倒空事件.
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图 2 相对论电子通量长期倒空事件在2000-2016年间的年分布特征 Fig. 2 The annual distribution of long-term dropouts of relativistic electron flux from 2000 to 2016 |
从图中可以看出，第23太阳活动周下降期的2003-2007年与第24太阳活动周上升期的2010-2014年相比，总体上在同等太阳活动水平条件下，第23太阳活动周下降期的相对论电子通量长期倒空事件持续时间较短，发生次数也较少.这可能是因为在一个太阳活动周的下降期，具有较多的HILDCAA(high-intensity long-duration continuous auroral activity)事件发生，这种持续性的高强度亚暴活动有助于相对论电子通量增强(Hajra et al., 2014, 2015; Hajra and Tsurutani, 2018)，因此我们统计的长期倒空事件就会减少甚至没有发生.
2009年是我们观测到长期倒空事件总持续时间最长的一年，累计持续时间共约5000小时.这表示在2009年这一整年内，地球同步轨道上有一半以上的时间都处于相对论电子通量倒空状态，具体的原因Lee等(2013)已经做出了详细的物理解释，并且我们在引言部分也介绍了他们的工作，故在此不做过多的解释说明.
总持续时间紧随2009年，并且发生频次最高的是2014年.这一年虽然是第24太阳活动周峰年，但我们仍然观测到许多长期倒空事件，这说明太阳活动水平较高不代表没有长期倒空事件发生；与之相对的，在太阳活动水平较低的2008年，我们并没有观测到类似2009年长时间的通量倒空现象.综上所述，在太阳活动周的下降期，相对论电子通量倒空现象较少发生；但在太阳活动周峰年和谷年，太阳活动水平的高低并没有完全决定是否容易出现相对论电子通量倒空现象.
3 相对论电子通量长期倒空事件产生条件和结束条件的统计特征这一节，我们简要对前述的62例事件开始和结束阶段的IMF Bz分量、太阳风速度、密度、动压、向阳面磁层顶高度MP(magnetopause standoff distance)、等离子体层顶高度LPP(plasmapause position)、亚暴AE指数、磁暴环电流Dst指数和ULF波指数进行统计研究，发现并讨论其开始、结束阶段的普遍特征以及可能导致该特征产生的相关物理机制.其中，采用Shue等(1997)的方法计算向阳面磁层顶高度；采用Liu等(2015)的方法计算等离子体层顶高度.由于Liu等(2015)的方法无法重现等离子体层羽状结构，在昏侧的误差较大，我们使用24个MLT区域的平均值来反映等离子体层顶的整体变化.经验证，在MLT=6、12和24处等离子体层顶的变化趋势与所有MLT区域等离子体层顶平均值的变化趋势保持一致，区别在于：当MLT=6和12时，等离子体层顶的高度比平均值略低；当MLT=24时，等离子体层顶的高度比平均值略高.
我们采用相对论电子通量下降到最低值时为事件开始阶段时间序列叠加的时间0点，以通量从背景水平开始增长时为事件结束阶段时间序列叠加的时间0点，并分别统计两个阶段各种参数的变化情况，具体如图 3所示.图中蓝色曲线为上下四分位点，红色曲线为中位数.此外，我们也检验了平均值的变化，但受某些极高值的影响，部分参数的平均值会高于上四分位点，并不能很好地反映整体的变化水平，因此本文仅展示中位数的变化.
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图 3 基于时间序列叠加法的62例相对论电子通量长期倒空事件开始(a)和结束阶段(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 |
从图 3a的相对论电子通量倒空事件开始阶段的特征图可以看出，太阳风速度一直维持在300~400 km·s-1之间，仅在事件开始前几小时略微增加，但整体变化比较平稳.太阳风密度和动压在事件发生前呈现显著增加趋势，中位数最大值出现在事件开始前3~4 h附近并且约是事件发生前3天数值的两倍.这样高值的太阳风密度和动压一直持续到事件发生后半日才恢复到平稳的状态.与之相对应的向阳面磁层顶高度在太阳风动压显著增加时向靠近地球的方向运动，其中位数在事件开始时达到最小值，由事件开始前3天约11Re高度收缩至10Re以下.
GSM坐标系下IMF Bz分量的中位数在事件开始前数小时有明显北向转南向的过程，在事件开始后数小时内Bz分量逐渐由南向转到北向并在此后几乎一直维持在北向.与之相对应的，Dst中位数在IMF Bz分量达到南向最大值时呈现明显的下降趋势，Dst极小值出现在事件开始后约10 h左右.此外，在事件开始这一阶段，AE指数和ULF波指数仅在事件开始前后数小时内有明显的增加，但整体增长的幅度并不高.
在以上太阳风活动水平和地磁活动水平条件下，等离子体层顶高度在事件发生前几乎一直维持在高L区域，其中位数高于6Re，部分时刻上四分位点等离子体层顶位置甚至超过地球同步轨道高度.这种状态一直持续到事件发生前数小时，等离子体层顶才逐渐向内收缩，并在事件开始后几小时又开始缓慢向外扩展.虽然本文相对论电子通量长期倒空事件与Pinto等(2018)的选取标准略有不同并且统计的事件数也更多，但得出了与Pinto等(2018)相似的结论，即事件开始时显著增加的太阳风动压和密度，较弱的太阳风速度和IMF Bz分量中位数在事件发生前转南向随后一直维持在北向.我们在前人工作的基础上增加了更多的参数，这些参数在事件开始、结束阶段呈现不同的变化，为研究相对论电子通量长期倒空现象提供了更多相关的统计理论支持，也可以为未来复杂的辐射带建模等提供一些参考依据.
“磁层顶阴影”(magnetopause shadowing)是辐射带电子真实损失机制的一种.当太阳风动压增加时，向内压缩的磁层顶会导致一些原来处于闭合的漂移轨道上的粒子运动轨迹发生改变，沿着开放的磁力线逃逸并从辐射带中大量流失(Shprits et al., 2006; Turner et al., 2012b; Kang et al., 2018).本文统计的相对论电子通量长期倒空事件开始前几小时，明显增加的太阳风动压和密度引起向阳面磁层顶向靠近地球方向运动，说明了某些事例相对论电子通量损失的原因与电子向外的径向扩散运动并最终在压缩的磁层顶处永久损失有关.
IMF Bz分量南向时，磁层顶重联，大量粒子注入使环电流强度增强，当增强的环电流粒子产生的磁场与地磁场叠加时，地磁水平分量减小，磁暴发生.图 3a中IMF Bz分量南向达到最大值后，Dst指数的下降则反映了这一点.在磁暴主相期间，环电流的增强导致地磁场减小，电子为了保持第三绝热不变量守恒会向着远离地心的方向径向运动.当这些电子运动到较弱的磁场时，为了保持第一绝热不变量守恒，电子的能量会降低.因此，指定能段电子在固定的位置会观测到通量减小的现象(Kim and Chan, 1997).Kim和Chan(1997)通过计算确定磁暴期间三种绝热不变量都保持守恒，证明了这个过程是一种完全的绝热作用.本文的研究结果显示，事件发生前Dst指数的下降表明某些事例与磁暴有关，说明这些事例部分电子通量的降低可能是由“Dst效应”造成的.
但是，“Dst效应”是一种完全的绝热作用，相对论电子通量的降低不代表其真实地从辐射带中损失.而磁暴发生期间，温度各向异性的环电流离子的注入利于EMIC波的激发，EMIC波与高能电子相互作用使其沉降到地球大气进而从辐射带中永久损失是辐射带快速损失相对论电子的主要机制(Millan and Thorne, 2007; Summers et al., 2007; Shprits et al., 2008).EMIC波主要分布在等离子体层内昏侧层顶附近和等离子体羽状结构中(Summers et al., 2007).地磁水平活跃时，EMIC波在12-18 MLT区域最为常见(Meredith et al., 2014).本文对相对论电子通量长期倒空事件开始和结束时间0点的MLT分布进行了统计，如图 4所示.从图 4a中可以看出，事件开始时刻主要集中在午后至子夜MLT=14-22区域，这一区域刚经过正午向阳面磁层顶被显著压缩的位置，也覆盖了EMIC波的主要分布区域.Green等(2004)统计了同步轨道上相对论电子通量快速下降的区域，也呈现出在昏侧分布最为显著的特征.Xiang等(2017)列举了三类辐射带电子通量倒空事件，其主要的损失机制可以分为三种：磁层顶阴影占主导地位、EMIC波散射占主导地位以及二者综合作用的损失机制.随后他们利用Van Allen Probes上的相空间密度PSD(phase space density)数据统计了4年间辐射带电子通量倒空事件，结果显示EMIC波散射电子占主导地位的电子通量损失机制主要发生在低L*区域，并通常伴有活跃的地磁活动水平和太阳风条件；在略高的L*区域，辐射带电子通量损失更有可能是EMIC波散射和向外的径向扩散综合作用导致的(Xiang et al., 2018).图 3a中，等离子体层顶在事件开始前几乎一直维持在高L区域，部分时刻上四分位点位置可以超过地球同步轨道高度，这表明在某些事件，EMIC波对相对论电子的散射损失作用可能发生在高L区域甚至地球同步轨道高度.结合磁层顶高度下四分位点位置并没有低至地球同步轨道高度，以及主要分布在午后至子夜MLT区域的事件开始0点(图 4a)，表明地球同步轨道高度上，相对论电子的损失更有可能是向外的径向扩散作用和EMIC波在高L区域的投掷角散射引起的，但具体哪个机制占主导地位，需要具体事例具体分析.
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图 4 相对论电子通量长期倒空事件开始(a)和结束(b)时刻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 |
图 3b所示为相对论电子通量长期倒空现象结束阶段的特征图.与开始阶段不同的是，在事件结束前后三天，并没有观察到明显的IMF Bz分量反转，也没有观察到Dst指数大幅下降的现象.这说明相对论电子通量结束长期倒空状态时，磁暴的发生不是必要条件.此外，尽管太阳风动压和密度的上四分位点在事件结束前1天有略微的增强，但其中位数并没有显著改变；磁层顶高度的下四分位点在太阳风动压和密度略微增强时，向靠近地球方向移动，但移动的幅度并不大，并且很快就恢复到原来的水平.
事件结束阶段的一个显著特点就是太阳风速度的增加，其中位数由事件结束前3天约350 km·s-1增加到事件结束后3天400 km·s-1以上，速度的上四分位点在事件结束前几小时有着明显的上升趋势，并一直保持较高水平直到事件结束后2天才有轻微的下降.事件结束阶段的另一个特点就是，长时间的亚暴活动和ULF波活动.AE指数和ULF波指数在事件结束前1天就开始增强，并在事件结束后半日内仍然维持在较高水平.尽管AE指数的中位数在事件开始阶段的最大值(图 3a，约200 nT)和事件结束阶段的最大值(图 3b，约200 nT)近乎相等，但在事件结束阶段AE指数有着近1天半的时间都处于较高水平.而ULF波指数中位数在事件结束阶段的最大值(图 3b，约20 nT)，比事件开始阶段的最大值(图 3a，约15 nT)明显高.等离子体层顶高度在事件结束前1天就开始向内收缩，随后一直维持在较低高度上，直到事件结束后3天，其上四分位点也几乎没有超过6Re高度.
Iles等(2002)通过统计相对论电子通量对磁暴响应不同的三类事件，得出在磁暴恢复相期间，高速的太阳风速度和IMF Bz分量在0附近波动或主要是南向分布时，是相对论电子显著增强的重要条件.类似的，O′Brien等(2001)也提到了磁暴后相对论电子通量的增加，其实更取决于高速的太阳风和恢复相期间长时间的ULF波活动.本文的研究结果也印证了高速太阳风会打破相对论电子通量倒空现象，即相对论电子通量的增加，正如图 3b所示.
亚暴活动也是相对论电子通量增加的一个重要原因.亚暴注入的源粒子群(数十keV)有助于合声波的增长，当种子粒子(数百keV)与合声波相互作用时，可以被加速到更高能量甚至相对论电子能量水平(Jaynes et al., 2015).一些强亚暴过程甚至可以直接向辐射带注入MeV能量的电子(Dai et al., 2014, 2015).合声波分布在等离子体层外侧午夜至下午磁地方时区域(Summers et al., 2007).从图 4b中可以看出，事件结束时间0点主要分布在MLT=0-9午夜后至晨侧区域，当等离子体层向内收缩时，等离子体层外侧此区域的合声波可以在广阔的L范围内加速由磁尾注入的粒子至更高能量.
与亚暴发生期间增强的合声波对电子的局地加速机制不同的是，ULF波动可以通过漂移-共振加速增强全球的相对论电子通量，因为ULF波动中Pc5能段的波动频率与相对论电子的漂移频率接近(Green and Kivelson, 2004; 宗秋刚等, 2013; Su et al., 2015; Regi, 2016; Li et al., 2018).由磁尾注入的电子可以在午夜至晨侧区域通过合声波加速到较高能量，也可以通过与ULF波漂移共振继续加速，并逐渐扩散至所有MLT区域，因此，相对论电子通量长期倒空现象得以恢复.本文所展示的在事件结束阶段长达一天半时间内高强度亚暴活动和ULF波活动与事件开始阶段只有几小时的活跃水平相比，可以为相对论电子通量的增长提供必要的源和加速机制，故而相对论电子通量从长期倒空状态恢复时常伴随着较强的亚暴活动和ULF波活动.
4 维持相对论电子通量长期倒空现象的条件及其与磁暴强度的关系前文描述了相对论电子通量长期倒空事件开始和结束阶段的不同特征.在开始阶段，磁层顶向内收缩，等离子体层顶一直维持在较高的高度上，向外的径向扩散结合磁层顶损失以及磁暴过程中波粒相互作用散射电子等损失机制占主导地位，相对论电子通量下降至背景通量水平.在结束阶段，长时间的亚暴活动和ULF波活动等能为相对论电子的产生提供足够的粒子源和加速过程，因此相对论电子通量可以从背景通量水平显著增长.这一节则主要研究相对论电子可以持续3天以上时间维持在背景通量水平这一阶段的特征.
4.1 有无磁暴发生事件的选取标准由于磁暴发生期间的各种物理机制比较复杂，也为了研究有磁暴发生和无磁暴发生事件是否存在显著的区别，本文把事件发生期间的过程分为两类，即有磁暴发生事件和无磁暴发生事件.通常，Dst＜-200 nT是大磁暴，-200≤Dst＜-100 nT是强磁暴，-100 ≤Dst＜-50 nT是中等磁暴，-50 ≤Dst＜-30 nT是小磁暴(Gonzalez et al., 1999).我们以磁暴重要的两个阶段，即主相和恢复相(磁暴不同相位的划分依照Partamies等(2013)的标准)都出现在相对论电子通量长期倒空事件期间定义为有磁暴发生事件，如图 5a所示(图 5中所示参数与图 3中所示参数一致).图中阴影区域表示相对论电子通量长期倒空现象.而如图 5b所示，尽管在9月12日事件开始前有中等磁暴发生，但当相对论电子通量开始降低至背景通量水平时处于磁暴恢复相阶段，其余阴影部分并没有磁暴发生，我们把这类事件定义为无磁暴发生事件.关于图 5b所示的2014年9月相对论电子通量长期倒空事件，Alves等(2016)已进行了相关研究，这个事件的产生是由在磁层深处L≤5区域电子通过共振波驱动的散射损失和在L＞5区域绝热和非绝热作用导致的远离地心的径向输送过程将电子传输到日侧被压缩的磁层区域，最终由磁层顶损失导致的.
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图 5 2002年2月有磁暴相对论电子通量长期倒空事件(a)和2014年9月无磁暴相对论电子通量长期倒空事件(b) Fig. 5 Example of long-term dropout of relativistic electron flux with storm in February 2002 and without storm in September 2014 |
我们把表 1中的62例事件按4.1节的标准分类后，共得到18个有磁暴发生事件和44个无磁暴发生事件.为了更好的归一化比较，并且清晰地陈列不同参数在不同数值区间的分布情况，我们以参数的具体数值区间为横轴，以在不同区间范围内的事件个数占这类事件总数的百分比为纵轴，并对事件发生期间的太阳风速度、密度、动压、磁层顶高度、等离子体层顶高度、AE指数和ULF波指数的平均值和最值(除磁层顶高度为最小值外，其余均为最大值)分别统计比较，具体如图 6所示.图中红色柱状图表示有磁暴发生事件，蓝色柱状图为无磁暴发生事件，每张小图不同颜色的垂直线则表示这一类事件在不同参数统计下的平均水平(即单类事件在各个参数下的平均值).
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图 6 有无磁暴发生事件期间各类参数的统计对比图 Fig. 6 Comparison of various parameters during events with or without magnetic storm |
如图 6a1所示，有磁暴发生事件期间太阳风速度平均值的平均水平(垂直红线)为377 km·s-1，与无磁暴发生事件期间太阳风速度平均值的平均水平(垂直蓝线)376 km·s-1几乎一致；这两类事件期间太阳风速最大值的平均水平相差也并不大，分别为536 km·s-1和522 km·s-1.这说明这两类事件在太阳风速度上并没有较大差距，尽管大部分事件都有最高风速在400~600 km·s-1范围内，但整体上太阳风速度比较低，事件发生期间太阳风速度平均值几乎都低于450 km·s-1以下.从图 6b1-b2、c1-c2可以看出，在太阳风密度和动压的平均值和最大值方面，有、无磁暴发生事件期间的平均水平相近，两类事件在不同参数的不同区间分布情况也类似，只是有磁暴发生事件的平均水平比无磁暴发生事件的平均水平略高.图 6f1-f2、g1-g2关于AE指数和ULF波指数的统计结果也类似，即有磁暴发生事件的平均水平略高于无磁暴发生事件的平均水平.只有如图 6d1-d2、e1-e2所示的磁层顶高度与等离子体层顶高度的统计结果中，无磁暴发生事件期间的平均水平才比有磁暴发生事件期间的平均水平略高.这是因为没有磁暴发生时，磁层相比地磁水平活跃时向外扩展，因此磁层顶高度与等离子体层顶高度会较地磁水平活跃时偏高.
综上所述，相对论电子通量长期倒空现象发生时，主要有两种情况：第一种，通量倒空时有磁暴发生，太阳风速度、密度、动压都相比平静时略高，与亚暴活动有关的AE指数偏高，ULF波指数也偏高.这类事件可能是由于磁暴发生期间，电子的损失机制(例如：动压增强导致的磁层顶损失，磁暴期间波粒相互作用投掷角散射损失等)与亚暴注入、ULF波加速粒子机制等保持了一个动态平衡，所以相对论电子通量仍然可以维持在背景通量水平.第二种，与平静的太阳风条件和较弱的地磁活动水平、较少的ULF波活动水平相关，这期间磁层顶高度与等离子体层顶高度都相比地磁水平活跃时偏高.这类事件可能是因为太阳风扰动较少，地球辐射带一直保持在相对稳定的状态，并且缺乏可以使相对论电子通量增长的源，故而这种情况下，相对论电子通量也可以一直保持在较低水平.尽管在不同种类的相对论电子通量长期倒空事件期间，不同参数不同数值区间的分布有些许差异，但这两类事件在各个参数的平均水平十分相近，没有较大差距，磁暴发生与否究竟与相对论电子通量长期倒空现象是否有关，我们将在4.3节继续探讨.
4.3 磁暴强度与维持相对论电子通量长期倒空现象的关系在引言部分，我们简述了磁暴会对相对论电子通量产生三种影响，即增长、损失和近乎保持不变(Reeves et al., 2003; Anderson et al., 2015)，并且在Kim等(2015)文中也提到了同步轨道电子通量的增强似乎与磁暴无关，许多研究都表明磁暴并不是引起相对论电子通量变化的一个有效指标.但是，受Anderson等(2015)研究的小磁暴对相对论电子通量的损失能力要比中、高磁暴略强这一结果的启发，我们也对相对论电子通量能维持长期倒空状态期间磁暴的强度进行相关研究，来分析磁暴强度与维持这种长期倒空现象可能的联系.
为了对比事件开始、结束阶段与事件发生期间出现磁暴的异同，我们统计了18例有磁暴发生事件和44例无磁暴发生事件，对事件开始、结束和相对论电子通量持续倒空期间三个不同时间阶段出现的磁暴强度(S：小磁暴；M：中等磁暴；I：强磁暴和大磁暴)和相位(M：磁暴主相；R：磁暴恢复相)进行统计，如表 2所示.从表中可以看出，无论是有磁暴发生事件还是无磁暴发生事件，在事件开始和结束阶段，都有部分事例与磁暴过程相关.并且，这两类事件在事件开始时，大部分事例处于磁暴主相阶段；在事件结束时，大部分事例处于磁暴恢复相阶段.这是因为磁暴主相期间，与绝热不变量有关的绝热损失、沉降至地球大气和磁层顶损失的非绝热损失使相对论电子通量降低；在磁暴恢复相阶段，通过亚暴活动和大规模太阳风活动激发的感应电场引起电子注入，伴随着绝热和非绝热加速作用使相对论电子通量增长(Lazutin et al., 2018).
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表 2 两类相对论电子通量长期倒空事件开始、结束及事件期间磁暴强度、相位的统计 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 |
纵观这三个阶段发生的磁暴强度可以看出，几乎所有的磁暴都是小、中强度，并且小磁暴发生的次数也远比中等磁暴高.特别是在相对论电子通量维持长期倒空状态时，没有一例大磁暴事件发生.虽然磁暴会引起相对论电子通量增加、减少或者保持不变，无法单从磁暴发生与否的角度判断相对论电子通量的走向，但是我们的研究结果表明，相对论电子通量的变化在一定的程度上与磁暴的相位和磁暴的强度有关.此外，相对论电子通量维持长期倒空时，磁暴的强度并不高，这也是为什么我们4.2节统计的有磁暴发生事件和无磁暴发生事件在不同参数的平均水平相差不大的原因.
磁暴效应可以由两种日地关系过程引发，一种是日冕物质抛射(CME)驱动的磁暴，另一种是共转相互作用区(CIR)驱动的磁暴.大磁暴一般都是由CME驱动的，其磁暴主相的形成是由南向的IMF导致的，恢复相通常比较短暂；CIR驱动的磁暴主相由于IMF Bz分量不断波动所以呈现不规律性，其强度也比CME驱动的磁暴小很多，但恢复相可以从几天持续到数周(Gonzalez et al., 1999; Borovsky and Denton, 2006).袁憧憬和宗秋刚(2011)通过研究磁暴发生期间外辐射带1.5~6.0 MeV电子通量的变化发现，对于CME驱动的磁暴无论是在主相还是恢复相期间电子通量在6≤L≤7区域都出现了增强，而CIR驱动的磁暴，在相同的区域并没有明显地观察到增强现象.Yuan和Zong(2012, 2019)通过统计大量不同太阳风/行星际结构触发的磁暴过程期间辐射带电子总含量指数(Radiation Belt Content Index, RBC)的变化发现，CME驱动的磁暴比CIR驱动的磁暴能够更有效地加速整个外辐射带电子，但在地球同步轨道上CIR驱动的磁暴比CME驱动的磁暴可以产生更多的相对论电子，这可能是因为CME驱动的磁暴在磁暴恢复相阶段外辐射带向内移动，而CIR驱动的磁暴在磁暴恢复相阶段外辐射带向外移动.本文的研究结果表明，在维持同步轨道相对论电子通量长期倒空现象时，没有强磁暴发生，可能是因为恢复相短暂的CME驱动的大磁暴在磁暴主相和恢复相间相对论电子通量都会出现增强，不利于相对论电子通量长期维持在背景通量水平.虽然CIR磁暴能够更有效地产生同步轨道相对论电子，但是并不是所有的磁暴都能加速电子，而我们的研究结果也仅代表地球同步轨道高度相对论电子通量的变化，不能代表整个外辐射带相对论电子总含量的变化，也无从对比磁暴对整个外辐射带产生的影响.当整个外辐射带电子通量倒空时，同步轨道上相对论电子通量会出现倒空现象；当辐射带中心向内移动，整个外辐射带被压缩时，同步轨道相对论电子通量同样会出现倒空现象.同步轨道相对论电子通量的变化仅是外辐射带变化的一部分，整个外辐射带的形态以及受磁暴的响应仍需深入研究和探讨.
5 总结本文通过对2000-2016年GOES卫星观测的地球同步轨道上相对论电子通量长期倒空现象进行统计研究，得出主要结论如下：
(1) 相对论电子通量长期倒空事件在太阳活动周不同阶段的大尺度时间分布特征表明，在太阳活动周下降期，相对论电子通量长期倒空事件较少甚至没有发生；在太阳活动周峰年和谷年，相对论电子通量倒空现象的发生率与太阳活动水平的高低并没有直接联系.
(2) 这类事件开始时，主要发生在MLT=14-22区域.这类事件的产生条件，一方面与IMF Bz分量在事件发生前北向转南向，事件发生后由南向转回北向并一直维持北向，Dst指数显著下降发生磁暴过程，以及长时间扩张的等离子体层有关；另一方面与事件发生前后显著增强太阳风动压、密度，磁层顶向内压缩有关.
(3) 当电子通量降低至背景通量水平时，为了维持这种现象，无论长期倒空事件发生期间有无磁暴发生，都是在较弱的太阳风条件、ULF波活动水平条件下.此外，长期倒空现象发生时，不会出现强磁暴过程，并且小磁暴事件也比中等强度磁暴事件发生频率高.
(4) 相对论电子通量打破倒空状态时，主要发生在MLT=0-9区域，通常会伴有长时间的高速太阳风条件、长时间的高强度亚暴活动和ULF波活动以及向内压缩的等离子体层.
本文研究的关注点在相对论电子通量可以长期保持倒空状态这一类特殊现象，从统计方面加深了引起相对论电子通量变化的有关物理机制的认识.本文的研究结果表明，等离子体层顶和磁层顶高度都有助于判断相对论电子通量的变化，ULF波指数可以作为判断相对论电子通量增长情况的一个有效指标，如果后续的预报模型可以增加更多的参数，对加速机制和损失机制强弱的竞争关系充分建模，会对相对论电子通量的准确预报起到一定的促进作用.此外，本文的研究结果也充分说明了磁暴的强度可能会对相对论电子通量的变化产生影响，但有关磁暴过程中各种物理机制的综合分析仍需深入的研究和探讨.
致谢 特别感谢俄罗斯基础研究基金会(19-05-00960)、国际空间科学研究所(ISSI-Beijing No.439)和国家留学基金的资助.感谢来自NOAA GOES提供的同步轨道相对论电子通量数据，OMNI database提供的太阳风参数数据, WDC提供的地磁指数和ulf.gcras.ru/网站提供的ULF波指数数据.特别感谢加利福尼亚大学伯克利分校Ilan Roth教授的建议和讨论.
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表 1
(Table 1)
