2013, Vol. 56
2. 航天飞行动力学技术重点实验室, 北京 100094;
3. 北京航天飞行控制中心, 北京 100094
2. Science and Technology on Aerospace Flight Dynamics Laboratory, Beijing 100094, China;
3. Beijing Space Control Center, Beijing 100094, China
辐射带相对论电子通量增强能够对卫星进行深层充电，从而导致卫星异常甚至完全失效[1-3]，深入了解相对论电子的产生及其增强过程具有重要意义.尽管已进行了许多研究，相对论电子的产生及其增强机制仍然不是很清楚.大部分学者[4-7]认为相对论电子的产生主要包含两个步骤，首先由与磁层夜侧亚暴相关的电场将电子加速到~100keV电子，然后由超低频（ULF）波或者甚低频（VLF）哨声模波对其进行加速.近期理论和实验研究表明，与极区亚暴密切相关的哨声模合声活动可能是导致~100keV “种子”电子加速到相对论电子的主要因子[7-9]，然而统计结果表明[4-6]，电子通量与太阳风速度（Vsw）的相关性最好，与其它的太阳风参数及地磁活动指数相关性较弱.既然大尺度地磁扰动如亚暴过程中的变化电场比ULF波的电场要强很多，且VLF哨声波的发生与亚暴活动密切相关，在这种情况下，地磁活动指数与相对论电子间的弱相关很令人不解[5, 10].
关于太阳风速度、地磁活动指数、行星际磁场等参数对于相对论电子的作用，究竟哪个因子起着控制作用，还是几者共同作用的结果？有关这方面的研究存在许多疑点.一方面，许多文献强调了高速太阳风和外辐射带电子间的相关性[11-14].太阳风可用来对相对论电子进行较准确的预报.Li等[10, 15-16]利用辐散方程，将太阳风和行星际磁场作为输入参数对日平均电子通量进行预报.在美国国家海洋和大气局空间天气预报中心（NOAA/SWPC），相对论电子预报模式利用线性预报技术[17]，以Vsw作为输入参数预报地球同步轨道（GEO）的＞2 MeV电子通量.另一方面，相对论电子通量（Fe）增强被认为是磁暴的产物[18-19]，有关Fe与Vsw具有很好相关性的机理仍然存在异议[20-23].Weigel等[24]指出Vsw＞600km/s对于大的MeV电子通量增强来说并非必要条件.Miyoshi[25]研究了太阳风相互作用区到达后的MeV电子通量变化，发现最强的MeV电子增强出现在伴随南向行星际磁场（IMF Bz）的高速太阳风时，高速太阳风并非相对论电子通量增强的充分条件.最近，Reeves[14]利用日平均GEO系列卫星LANL的电子通量数据检验了Vsw和Fe之间的关系，表明两者之间是非线性的，高速太阳风是MeV电子通量增强的必要条件.Li[23]利用15年日均资料研究表明，南向IMF Bz驱动的地磁活动是GEO的MeV电子通量增强的必要条件，而高速太阳风不是必须的，Vsw与MeV电子通量增强具有很好相关性的原因主要是由于高速太阳风伴随着一些南向IMF Bz分量.
为了深入了解相对论电子通量与不同行星际参数、地磁活动指数间的关系，本文利用GOES卫星数据对GEO相对论电子通量增强事件进行了统计分析.我们并非为了对有限相对论电子事件的影响机制进行解释，而是利用大量个例研究其统计学特性，试图确定与相对论电子增强具有最好相关的参数因子.由于产生机制未清，极端的GEO相对论电子增强事件难以预报，在这种情况下，超过一定警戒范围的“杀手电子”事件的发生概率对于空间天气预报具有重要意义.在此，我们对相对论电子事件的发展过程进行了分析，给出了电子通量增强期间不同太阳风参数和地磁活动指数的变化特征；研究了不同强度磁暴期间相对论电子变化情况，分析了引起相对论电子通量增强的磁暴条件.
2 资料与方法地球同步轨道位于辐射带的外边界，是进入磁层内部的入口，外辐射电子通量强度峰值一般出现在GEO内[23].我们对1988-2010年近两个太阳活动周的＞2MeV电子通量进行了分析，数据来源于CDA网站（http://cdaweb.gsfc.nasa.gov）
GOES系列卫星，采用双星运行体制，分别定点在75°W（GOES-East）和135°W（GOES-West）的赤道上空.由于获得的GOES-West的资料更为完整，在以下的时间连续分析中主要应用了GOES7/9/ 10/11的资料.需要指出的是，GOES电子探测器受＞32 MeV质子影响严重，尽管从GOES8开始对电子数据进行修正，但是太阳质子事件期间的电子数据仍然可能失真[26-28].我们在以下利用连续的GOES-West资料对电子通量的长期变化进行分析时发现，未去掉太阳质子事件前，GOES7所测电子通量在1989，1991年有异常增强现象，而利用GOES9/10/11所测电子通量，太阳质子事件对其长期变化影响不明显（图 1）.本文以下分析中去除了太阳质子事件中的电子通量数据.
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图 1 181天滑动平均的太阳风速度Vsw（上图实线）、Dst指数（上图点线）、太阳黑子相对数（下图粗点线）和分别去除/未去除（下图细点线/粗实线）太阳质子事件影响的GOES7/9/10/11＞2 MeV电子通量Fe的时间序列 Fig. 1 Time series of 181-day mean Vsw(thick solid line in the top panel), the Dst index (thick dot line in the top panel), sunspot number (thick dot line in the botto mpanel) and > 2 MeV electron fluxes, Fe, measured with GOES7/9/10/11.The thin dot line, thick solid line in the bottom panel denotes electron fluxes with, without contaminations from the solar protons, respectively. |
以下利用平滑滤波对GEO相对论电子变化的气候性特征进行分析；利用时序叠加方法[29]定性给出了相对论电子通量增强过程中各参数的发展变化特征；通过相关分析判断不同参数对电子通量强度的影响，在此过程中利用显著性t检验对相关系数进行了检验，以下未进行说明者均表示通过了95%的显著性检验.
3 结果分析地球同步轨道卫星测量的电子通量与卫星本身所处磁局地时间有关，不同磁地方时所测结果为不同磁壳参数L上的电子通量，相同条件下不同地方时的电子通量最大可达一个数量级.我们首先研究了太阳风和地磁活动对相同地方时电子通量的影响，然后对相对论电子事件过程进行了分析，研究了不同强度磁暴过程中相对论电子通量的变化.
3.1 GEO相对论电子的磁地方时特性由于地球磁层的日夜非对称性，日侧磁层电子距离地球漂移的更远，不同地方时GEO卫星所处的漂移壳参数L不同，因而GEO卫星所测电子通量具有明显的地方时特性.通常在磁正午时GEO电子通量最高，在午夜时最低.由于磁层结构的非对称性受太阳风和地磁活动的影响，所以GEO相同地方时的磁壳参数和电子通量也受到太阳风和地磁活动影响.考虑到这种影响，O′Brien等[29]对不同Kp指数下的GEO相对论电子通量进行了磁地方时的转化，而desRoziers等[30]则对不同Vsw情况下的Fe进行了研究.
我们将GOES的小时平均数据按地方时进行了分类，取其常用对数，分别与不同的行星际参数和地磁活动指数进行了相关分析.结果发现，相对于其它磁地方时，磁正午时相对论电子通量与各参数的相关性相对较高.如图 2所示，与电子通量相关性最好的参数分别为太阳风速度Vsw、Kp指数和取三次根号下的太阳风密度N1/3，而行星际磁场分量IMF Bz、行星际晨昏向电场Ey、太阳风速变化δV、（δV）2等与Fe的相关性均很小.
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图 2 磁正午时lg（Fe）分别与Vsw、-Dst指数、Kp指数、AE指数、-N1/3的相关系数 横轴为各参数相对于电子通量Fe的时间延迟，各参数均为小时平均值. Fig. 2 Correlations betweenlg (Fe)(where Fe is the > 2 MeV electron fluxes measured by GOES at magnetic local noon) withVsw, -Dst, Kp, AE, and -N1/3 indices Time delay in this figure means a timeinterval between relativistic electron fluxes and following solar wind and geomagnetic activity parameters. Allvalues are 1-hour averages. |
低能电子加速到相对论电子需要一段时间[4, 6, 8-9]，因而电子通量增强与太阳风速增强或者地磁活动间的相关具有时间延迟性.历史研究结果[6, 29, 31-32]表明，大约2天前的太阳风或地磁活动指数与GEO＞2MeV电子通量相关性最好.我们对磁正午时的电子通量数据进行了分析，发现这个时间差并非某一确定的值，而是一个时段，如图 2所示，与Fe相关性最好的Vsw、Kp和N1/3分别出现在Fe前39~57h、57~80h和12~24h左右，相关系数分别为0.59、0.43和-0.40.相对的，同时刻的这些参数与Fe的相关性很小，如Dst指数与相对论电子通量的相关系数仅为-0.15.
从太阳活动周的角度来看，在太阳活动下降相的电子通量高年，Fe与各参数的相关性最好.如图 1所示，Dst指数与Vsw呈近似反相关，在太阳活动下降相，如1994、2005年，随着太阳风速增加，Dst指数相对较低，地球同步轨道的相对论电子通量开始上升，此时相对论电子与太阳风速的变化几乎一致，Fe与各参数的相关性较好，如1994年Vsw与Fe的相关系数达到0.75.而在太阳活动高年如2000年电子通量较低，此时Fe与各参数的相关性最差，Dst、AE指数与Fe的相关系数仅为0.1左右.从太阳风大尺度结构观点来看，太阳活动低年，行星际空间天气主要受冕洞共转相互作用区（CIR）影响，而太阳活动高年主要受行星际日冕物质抛射（CME）影响.Dmitriev[33]和Miyoshi[34]的研究指出，CIR驱动的磁暴比CME驱动的磁暴更能有效驱动相对论电子通量增强.在太阳活动的下降相，大部分的太阳风高速流导致电子通量增强[23]，高速流相对规则的时空分布使其与电子通量的相关性高，而在太阳活动峰年，与慢速太阳风、高Dst指数相对应的相对论电子通量处于极低水平.
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图 3 按小时平均的Vsw、AE指数、Kp指数、-N1/3与分别进行了48h、60h、60h、12h延后的磁正午时lg（Fe）间的相关系数随时间变化 Fig. 3 Temporal variations in correlation coefficients for the correlation of lg (Fe)(where Fe is the > 2 MeV electron fluxes measured by GOES at magneticlocal noon) wit hVsw, AE index, Kp index, and -N1/3, which are hourly values measured 48h, 60h, 60h, and 13h, respectively, prior to the related responses in Fe |
图 4给出了按照太阳风速度和地磁活动条件进行分类，分别对应不同磁地方时时序叠加的＞2 MeV电子通量Fe的中值和峰值.其中Vsw和Dst指数分别对应与Fe相关性最好的前48h和54h的结果，尽管Dst指数本身对相对论电子通量增强并不是一个好的指示因子，但由于它是最广泛应用的磁暴活动指数，可以用来确定磁暴的主相、恢复相，因而在此应用了Dst指数.
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图 4 按照太阳风速度（单位：km/s，上图）和Dst指数（单位：nT，下图）进行分类的＞2 MeV电子通量在不同磁地方时时序叠加的中值（a）和极大值（b） Fig. 4 Superposed epoch medians (a) and upper quartiles (b) of hourly averaged > 2MeV electron fluxes as a function of magnetic local time for different conditions of Vsw(unit:km/s, top panels), Dst index (unit:nT, bottom panels), respectively |
时序叠加的中值结果表明，Fe大小受Vsw影响明显，与Vsw大小呈正比.如图 4所示，对于Vsw＞500km/s的情况，除了在午夜时分外，其余时间的Fe几乎都大于103cm-2·s-1·sr-1（pfu），而对于Vsw＜500km/s的情况，所有地方时的Fe均小于103pfu；对于Vsw＞300km/s情况，午/夜的电子通量比率随着Vsw增加而增大，在Vsw＞700km/s时已达到一个数量级.磁暴后的电子通量明显高于Dst＞-30nT的非磁暴情况，但是并非磁暴越强电子通量越高，由图 4a可见，Dst＜-100nT情况下电子通量反而低于-100＞Dst＞-30nT情况.在Dst＞-50nT时，GEO电子通量具有比较规则的地方时变化特性，而对于中级以上磁暴情况，Fe并未出现在正午12时，而是出现在磁正午前后的11时或者13时.
由图 4b可见，即使是峰值，GEO电子通量也具有明显的地方时特性，最大电子通量出现在磁正午时.电子通量峰值并非对应太阳风速和地磁活动指数极值，而是基本对应-100＞Dst＞-30nT的地磁活动以及500~700km/s的太阳风速.需要注意的是，对于Dst＜-100nT的情况所对应的54h后的电子通量极值均低于其它地磁活动条件，说明大部分大地磁暴后Fe的恢复及增强时间大于54h.同时可见，GEO上大于103 pfu的电子通量可以出现在任何行星际条件和地磁活动条件下.
3.2 相对论电子通量增强事件过程以下我们对相对论电子通量增强事件进行统计分析，为了使轨道影响最小，在分析时主要对相同地方时的数据进行比较.当前还不存在用来判断相对论电子增强事件的统一标准，在不同的文献中有不同的定义.NOAA/SWPC使用的电子通量警告标准是GOES＞2MeV电子通量大于103pfu；Kimy等[35]提出日平均电子通量持续超过2×103 pfu至少3天时，确定为相对论电子增强事件；O′Brien等[29]定义日平均电子通量大于500pfu时为相对论电子事件.本文以下将24h平均电子通量大于103pfu作为相对论电子增强事件的参考标准之一.
通过以下过程确定一次相对论电子事件：首先找到大于103 pfu的电子通量峰值点F′emax，计算以F′emax为中心的24h平均值Femax，若Femax≥103 pfu则向前找到日平均电子通量最小的点Femin，当Femin及其前24h平均电子通量均小于103pfu时定义此次过程为一次相对论电子事件，并以Femin作为零点，向后找到日均电子通量大于103pfu的开始时间ta和结束时间te.为了找到影响相对论电子事件强度的因子，我们根据电子通量峰值将相对论电子事件分为Femax≥104pfu和104＞Femax≥103pfu强度相对不同的两类，以下分别称为强、弱相对论电子事件.
根据以上标准，在去掉太阳质子事件和缺省值情况后，我们确定了1988-2010年期间共247次相对论电子事件，其随时间分布如图 5所示.由图可见，强相对论电子事件的发生具有明显的太阳活动周及季节特性，在距离太阳活动谷年前两年左右的太阳活动下降年（1995、2005），相对论电子增强的发生概率最高，而在太阳活动峰年附近，如1989、1990、2002年，未发生非太阳质子事件期间的强相对论电子事件.由图 5b可见，在春秋分即3月、9月份的强相对论电子事件的发生率明显高于其它时间.以上特点与历史研究中[36-37]有关辐射带电子变化的太阳活动周及季节性特点类似，而与此相对的是，较弱强度相对论电子增强事件并无上述特点.
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图 5 相对论电子事件个数随年（a）、月（b）变化 实线代表所有事件个数，点线为日平均电子通量峰值Femax≥104pfu事件个数，虚线为104＞Femax≥103pfu事件. Fig. 5 Temporal variations in numbers of relativistic electron flux enhancement events Dot lines denote numbers of events, in which the daily maximum averages of > 2 MeV electron flux Femax≥104pfu, dash lines denote events with 104 > Femax≥103pfu, and solid lines denote numbers of all events. |
为了深入了解行星际扰动和地磁活动在相对论电子事件中的作用，我们以Femin为零点，计算了各参数在相对论电子事件过程中每小时的统计学分布，对其进行了时序叠加分析.由于在取零点时是以最大电子通量点，即磁正午时为参考点，因而保证了所取零点大部分位于同一地方时.如图 6所示，经过叠加分析后的电子通量具有明显的地方时性，零点位于磁正午时.
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图 6 相对论电子事件过程中各参数的时序叠加中值 实线为104＞Femax≥103pfu事件，点线为Femax≥104pfu事件. Fig. 6 Superposed epoch medians for relativistic electron enhancement events Solid lines denote events, in which Femax≥104pfu, while dot lines denote events with 104 > Femax≥103pfu. |
我们对每次事件中相对论电子变化的特征时间进行了分析.由图 7可见，90%以上事件中，相对论电子经过1~3天由谷值达到日均电子通量103pfu的警戒值.强事件的增强和持续时间相对来说更长一些，一半以上的强事件经过3~5天达到峰值，再经过4~7天下降到警戒值以下，整个过程持续8~14天；而弱事件经过2~3天达到峰值，再经过1~4天下降到警戒值下，整个过程持续4~9天.需要指出的是，图中有些个例的谷值距离峰值有十几天，这可能是由于相应事例中的电子通量下降过程较快，从而其日均电子通量谷值未达到我们所设标准.
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图 7 相对论电子事件过程中电子通量变化的特征时间分布 上图为104＞Femax≥103pfu事件，下图Femax≥104pfu事件，其中tmax、tmin代表电子通量峰值、谷值时间，ta和te为日均电子通量大于103pfu的开始时间和结束时间. Fig. 7 Occurrence probabilities of time intervals during relativistic electron fluxes evolved The top panel denotes eventsin which 104 > Femax≥103 pfu, while the bottom panel events with Femax≥104 pfu.tmax, tmin indicates the time of maximum, minimum daily averages of > 2 MeV electron fluxes, and ta, te indicates the time when electron fluxes alert > 103 pfu begins, ends, respectively. |
电子通量增强是伴随着行星际参数和地磁活动指数的变化而发生的.由图 6可见，相对于其它参数，最先开始的是太阳风密度的增加，太阳风密度在1天左右增加到峰值后开始减小，随后的太阳风速度增加及IMF Bz南向分量的增强导致了增强的亚暴活动（AE值的增加），地磁活动的发展（Dst的下降），磁层顶的压缩和Dst绝热效应[38]使得磁暴主相期间电子通量开始下降.在不同强度相对论电子事件中，各参数的开始变化时间差别不大；而在强相对论电子事件中，各参数的变化强度更大，持续时间长.
我们对所有相对论电子事件个例进行了分析，图 8给出了相对于电子通量谷值Femin，各参数达到极值的时间分布.由于在一些大的空间天气事件中行星际参数缺失，分析时去除了这种缺省值情况.由图可见，Dstmin和Bzmin几乎出现在同一天，在强相对论电子事件中，上述两个参数主要出现在Femin后一天，而在弱事件中与Femin出现在同一天.这说明强相对论电子事件中，相对论电子开始增强的时间比较早，即在磁暴主相时已开始增加，而在弱事件中则大部分在恢复相开始回升.太阳风密度极大值Nmax往往出现在Femin前0~1天，而太阳风速度极大值Vswmax和太阳风密度极小值Nmin出现在Femin后，太阳风速度往往先于太阳风密度达到极值.在太阳风速度达到极大值后0~4天，太阳风密度达到极小值后0~2天，电子通量达到极大值.以上说明太阳风密度变化对相对论电子的发展具有重要指示作用.
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图 8 相对于电子通量谷值Femin各行星际参数和地磁活动指数达到极值的时间分布 上图为104＞Femax≥103pfu事件，下图为Femax≥104pfu事件. Fig. 8 Occurrence probabilities of time delays which mean time intervals between minimum daily averages of > 2 MeV electron flux Femin and following interplanetary and geomagnetic activity parameters The top panel denotes events with 104 > Femax≥103pfu, and the bottom panel events with Femax≥104pfu. |
分析Femax与各参数极值发现，在弱事件中，Femax与参数极值间的相关性很小，在强事件中则明显提高.即使如此，与Femax相关性最好的Vswmax、Nmin和AEmax，与Femax的相关系数仅为0.385、-0.376和0.328.尽管Femax与各参数极值之间没有线性关系，但我们可以找出利于相对论电子通量增强的参数范围.表 1给出了相对论电子事件中各参数极值的阈值，可见90%以上的相对论电子事件是在磁暴及高速太阳风的条件下发生的，所对应的条件为Vswmax＞516km/s，Dstmin＜-31nT，Nmin＜2.8cm-3，Nmax＞14.1cm-3，Bzmin＜-2.9 nT，AEmax＞698nT.以上并不是相对论电子事件发生的必要条件，仍然存在17个Dstmin＞-30nT，9个Vswmax＜500km/s的个例.对这两种情况分别分析发现，对于Dstmin＞-30nT情况，在相对论电子增强前的太阳风速具有一个明显上升的过程，其中15个个例中Vswmax＞500 km/s；而对于Vswmax＜500km/s的低速太阳风情况，7个个例中伴随磁暴.同时满足Vswmax＜500km/s，Dstmin＞-30nT者只有2个个例，且与其伴随的Bzmin均小于-3nT.这说明高速太阳风或者地磁活动是相对论电子通量增强的必要条件之一.
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表 1 1988-2010年期间90%以上相对论电子事件中行星际参数和地磁活动指数极值的阈值 Table 1 Thresholds of extrems for interplanetary and geomagnetic activity parameters built on statistics of 90% relativistic electron flux enhancement events during 1988-2010 |
图 9给出了小时平均的电子通量峰值F′emax所对应Vswmax和Dstmin，可见Vswmax对相对论电子通量强度具有较好的指示作用.Vswmax＜600km/s对应的几乎都是弱相对论电子事件，除了2个个例，余下71个强相对论电子事件对应的Vswmax＞600km/s；对于600~800km/s情况，强弱事件发生概率相当；而Vswmax＞950km/s对应强相对论电子事件.图中的粗细实线分别给出了强、弱事件中Vswmax和Dstmin的强度分布.尽管F′emax与Vswmax和Dstmin并不成线性关系，但是从统计学的角度来看，强事件中的太阳风速和地磁活动要强于弱事件.由图可见40%以上的强电子事件对应650＜Vswmax＜750km/s，-100＞Dstmin＞-50 nT，而弱事件对应550＜Vswmax＜650km/s，-50＞Dstmin＞-30nT.
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图 9 小时平均的相对论电子通量峰值F′emax及其对应Vswmax（a）和Dstmin（b） 粗/细实线分别为日均电子通量峰值Femax≥104pfu/104 > Femax≥103pfu的相对论电子事件中Vswmax和Dstmin的强度分布, "·"为Femax≥104pfu的事件对应的F′emax, "*"为104pfu > F′emax≥103pfu事件中的F′emax. Fig. 9 lg(F'emax)(where F'max is maximum hourly GEO>2 MeV electron flux) versus hourly Vswmax(a) and Dstmin(b) Thicks olid lines denote distributions of Vswmax and Dstmin in events with Femax≥104pfu, and thin solid lines denote events with 104 > Femax≥103pfu.‘*’ indicates F′emax inevent with 104pfu > Femax≥103pfu, and ‘·’denotes event with Femax≥104pfu. |
虽然地磁活动是利于相对论电子通量增强事件发生的条件之一，但磁暴与相对论电子事件并不是一对一的关系[39].以下我们对不同强度磁暴过程中的相对论电子变化进行分析，给出了在地磁暴发生后，电子通量在什么时间、以什么概率超过警戒值的情况；比较了暴后相对论电子通量增强和未增强两种情况下的太阳风条件.
为了区分不同的磁暴过程，我们利用Gonzalez[40]和Srivastava[41]等对磁暴的分类标准，根据磁暴过程中Dstmin将磁暴分成以下几类：30＞Dstmin≥-50nT为弱磁暴，-50＞Dstmin≥-100nT为中等磁暴，-100＞Dstmin≥-200nT为强磁暴，Dstmin＜-200nT为大磁暴.以Dstmin作为零点，计算了磁暴过程中24h平均电子通量，其中零时为Dstmin前后12h的平均结果.
图 10给出了在磁暴发生前后GEO日平均电子通量开始大于103pfu的时间分布，可见在引起相对论电子事件的中小磁暴中，通常Dstmin后0~2天内GEO＞2MeV的电子通量超过警戒值，而强磁暴和大磁暴往往在Dstmin前两天Fe就已达到了较高水平.由于一个独立的磁暴从初相到达最小值Dstmin往往发生在2天内，则在此之前发生的相对论电子通量增强并非是本次磁暴所引起的.一次电子通量增强事件过程可持续十几天（图 7），在Dstmin前的高电子通量是前一个事件的后续结果.即使如此，我们统计在Dstmin后5日内24h平均电子通量Femax高于103pfu的发生概率，发现仍然有47%左右磁暴Femax低于103pfu；磁暴后发生的强/弱相对论电子事件占总事件的比例分别为36%/64%左右，如表 2所示，磁暴强度对上述结果基本无影响.
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图 10 不同磁暴过程中日平均电子通量达到103pfu的时间分布 Fig. 10 Occurrence probabilities of daily averaged > 2 MeV electron fluxes alert with > 103 pfuduring magnetic storms in the four categories |
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表 2 1988-2010年磁暴过程中的相对论电子事件统计 Table 2 Statistics of relativistic electron flux enhancement events for the four categories of magnetic storms during 1988-2010 |
什么样的磁暴条件利于发生相对论电子通量增强？为了解决这个问题，我们将磁暴分成了两类，分别对其进行了叠加分析.为了去除暴前高电子通量情况，我们选择了Dstmin前85~108h内24h平均电子通量Feb＜103pfu个例.若Dstmin后85~108h内平均的电子通量Fesa＞103 pfu，定义此次事件为一次相对论电子通量增强事件，若Fesa＜103pfu，则为非电子通量增强事件.根据以上标准判断的Dstmin后的相对论电子通量增强及非增强事件个数如表 2所示.
图 11给出了以Dstmin作为零时，各参数在不同磁暴过程的时序叠加中值，由于大磁暴个例较少，且在大磁暴过程中的行星际参数缺省值多，对其进行的时序叠加分析无统计性意义，在此未给出其结果.我们所选择的过程是类似的初始磁暴条件，但是两种情况下的电子通量在Dstmin后的发展结果完全不同.
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图 11 强磁暴（右图）、中等磁暴（左图黑线）和弱磁暴（左图红线、蓝线）后相对论电子通量增强（实线）及非增强（点线）过程中各参数的时序叠加中值 Fig. 11 The evolution of various quantities as a functionof epoch time.Right panels describe intense storms, black lines in left panels describe moderate storms, and red lines, blue lines show weak storms.Solid lines denot emedians in relativistic electron enhancement events, while dot lines denotenonevents. |
由图可见，太阳风速度、密度对于能否引起暴后相对论电子增强起着重要作用，尤其是在中小磁暴过程中，未发生相对论电子增强事件的磁暴中Vsw明显低于相对论电子增强事件中的Vsw.未发生相对论电子增强事件的中小磁暴过程中Vswmax小于450km/s，与高电子通量事件中的峰值差可达150km/s；与此相应的低电子通量过程中的最小太阳风密度大于3cm-3.对于强磁暴和大磁暴来说，太阳风速度、密度在两种情况下区别没有中小磁暴时明显，即使是非相对论电子增强事件中的太阳风速峰值也超过了500km/s.
Dstmin后的AE指数在两种不同情况下具有明显差别.相对论电子非增强事件中的AE指数在Dstmin之后快速下降，而电子增强事件中的AE指数下降的较慢，在72h左右后，两种情况下的AE指数基本重合，下降到200nT以下，此时电子通量开始下降.除此之外，中小磁暴过程中的AEmax也有不同，小磁暴中低电子通量事件的AEmax仅为570nT，远低于我们前面所统计的698nT.以上说明Dstmin后持续的亚暴对于相对论电子通量的增强及持续起着重要作用.持续的亚暴可能与磁暴过程中磁层内部存在的延迟释放能量有关，此部分能量可以延迟几个小时甚至十几小时释放，对于行星际激波能否触发亚暴起着重要作用[42].
4 结论外辐射带中“杀手电子”的预报对于卫星安全运行具有重要意义.我们对近两个太阳活动周的GEO相对论电子通量数据进行了统计分析，研究了相对论电子通量增强事件的发生发展规律，分析了不同强度磁暴过程中相对论电子通量变化，探讨了引起相对论电子通量增强的太阳风和地磁活动条件.所得主要结论如下：
（1）GEO相对论电子通量即使是峰值，也具有明显的地方时特性，最大电子通量出现在磁正午时.相对于其它地方时，磁正午时相对论电子通量与各参数的相关性最好，与其相关性较好的太阳风速度、Kp指数以及三次根号下的太阳风密度分别出现在电子通量前39~57h、57~80h和12~24h左右.在太阳活动下降相的电子通量高年，GEO相对论电子与各参数的相关性最好，与太阳风速的最大相关系数可达0.75.
（2）GEO相对论电子的地方时特性受太阳风参数、地磁活动指数的共同影响.Fe与Vsw大小呈正比，午/夜电子通量比率随着Vsw增加而增大，在Vsw＞700km/s情况下可达一个量级.在Dst＞-50nT时，Fe具有比较规则的地方时变化特性，而对于中级以上磁暴情况，Fe未出现在磁正午时.
（3）对日平均电子通量峰值Femax≥103pfu的相对论电子事件统计分析表明，较强（Femax≥104 pfu）相对论电子事件具有明显的太阳活动周及季节特性，在距离太阳活动谷年前两年左右的太阳活动下降年和春秋分期间，相对论电子事件发生概率最高，而较弱强度相对论电子事件的太阳活动周期性和季节性均不明显.
（4）太阳风密度变化对相对论电子通量增强事件的发展具有重要指示作用.电子通量在太阳风密度极大值后0~1天达到极小值，在太阳风密度极小值后0~2天达到极大值.强相对论电子事件中电子通量开始增强的时间比较早，大部分事件中的Fe在磁暴主相开始回升，而较弱事件中大部分在恢复相开始回升.
（5）90%以上相对论电子事件是在磁暴及高速太阳风的条件下发生的，与其伴随的行星际参数和地磁活动指数极值满足以下条件：Vswmax＞516km/s，Dstmin＜-31nT，Nmin＜2.8cm-3，Nmax＞14.1cm-3，Bzmin＜-2.9 nT，AEmax＞698 nT.尽管Femax与Vswmax和Dstmin不成线性关系，但是强事件中的太阳风速和地磁活动要强于弱事件，强相对论电子事件对应Vswmax＞600km/s，Dstmin＜-40nT.
（6）磁暴过程中，Dstmin后日平均电子通量大于103pfu的发生概率在53%左右，强/弱相对论电子事件占总数比例分别为36%/64%左右，磁暴强度对其无影响.在引起相对论电子增强事件的磁暴中，中小磁暴过程中通常在Dstmin后1天GEO＞2MeV的电子通量超过警戒值，而强以上磁暴发生之前的电子通量水平已经达到了较高水平.中小磁暴过程中，Vsw、N和AE指数的大小对于能否引起相对论电子增强起着重要的指示作用.
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