同步軌道相對論電子通量長期倒空事件的統計研究

吳晗, 陳濤, V. V. Kalegaev, M. I. Panasyuk,段素平, 何兆海， 李仁康

1 中國科學院國家空間科學中心， 空間天氣學國家重點實驗室， 北京 100190 2 中國科學院大學， 北京 100049 3 莫斯科羅蒙諾索夫國立大學， 核物理研究所， 俄羅斯 莫斯科 119234 4 云南師范大學物理與電子信息學院， 昆明 650500

0 引言

地球輻射帶是圍繞在地球周圍的充滿著大量被捕獲的高能帶電粒子區域，是許多衛星飛行軌道所在區域，也是探索系外行星航天器飛離地球的必經區域.其中，外輻射帶位于L=3～7之間，其內部被捕獲的高能電子易受太陽風、宇宙線等影響，處于不斷的動態變化中(Baker et al., 2018).MeV能量的高能電子也被稱為“殺手電子”，當其通量增強到一定程度時，會對在軌衛星的正常工作和安全造成巨大威脅.外輻射帶中存在著一類特殊的物理現象，就是電子通量倒空現象(dropout)，其特征是在一個廣闊的能段、投擲角和L范圍內，被捕獲的電子群通量顯著下降的現象(Turner et al., 2012a).這類現象發生時高能電子通量會降至極低水平，當持續時間較長時，可以為衛星的安全和長時間艙外作業提供有效的保障(Wrenn, 1995).揭示這類現象的發生規律既是空間物理學研究的熱點，也可以加深對電子在輻射帶中加速、損失機制的認識和理解，為預報空間天氣提供強有力的科學支持.

輻射帶內相對論電子通量具有高度的可變性，可以在從幾分鐘到幾年的時間尺度上發生數量級的變化.長期的變化一般與太陽活動周不同階段太陽活動水平高低的影響有關，短期的變化則由太陽風和行星際條件決定(Hajra et al., 2014; Hajra and Tsurutani, 2018).目前已有許多工作對輻射帶電子長時間通量倒空現象進行了研究.Lee等(2013)通過分析2009年外輻射帶電子通量變化發現：外輻射帶在這一年當中整體比較平靜，發生通量(幾百keV至MeV電子)倒空現象數次，最長持續時間高達2個月.這類現象與極弱的太陽風條件有關，在太陽活動低年，長時間平靜的太陽風條件大大地減少磁層對流和注入過程，導致等離子層膨脹，甚至可以擴大到地球同步軌道高度.等離子層內的波動，如等離子體層嘶聲可以引起電子投擲角散射，使電子最終沉降到地球大氣從輻射帶中永久損失(Breneman et al., 2015).Pinto等(2018)通過時間序列疊加法對發生在1996—2006年間的21例相對論電子通量長期倒空事件分析得出：低速太陽風、突然增加的質子密度以及事件開始后緊隨的IMFBz分量平均值由南向轉為北向的過程是這一類事件的普遍特征.

地磁暴發生期間，外輻射帶內高能電子通量通常會發生變化.典型的變化是：相對論電子通量會隨著地磁活動的增強，在磁暴主相期間下降，隨后在磁暴恢復相階段增長，在伴隨著高強度持續性亞暴活動的磁暴恢復相期間相對論電子通量甚至可能遠超暴前水平(李柳元等，2006).Onsager等(2002)通過分析一次中等磁暴期間電子通量的變化發現，在磁暴結束后，只有能量較低的高能電子(E<300 keV)可以恢復到暴前水平，而較高能量的相對論電子(>2 MeV)并沒有恢復到暴前水平.在外輻射帶相對論電子通量對磁暴的響應這一研究領域中，比較有代表性的是Reeves等(2003)關于1989—2000年間對276個中、大磁暴前后，外輻射帶相對論電子通量變化的研究工作.其研究結果表明：有53%的磁暴會使同步軌道相對論電子通量增加，19%的磁暴會減少同步軌道相對論電子通量，而28%的磁暴對同步軌道相對論電子通量并沒有產生顯著的變化.近年來，Anderson等(2015)采用和Reeves等(2003)類似的方法，同樣研究了1989—2000年間磁暴前后相對論電子通量的變化情況.不同的是，他們的研究對象是342個小磁暴事件，但也得出了相似的結論，即小磁暴和中、大磁暴一樣可以使相對論電子通量增加、減少或者不變.由此可見，磁暴發生與否不能完全決定暴后相對論電子通量的走向，應結合更多的參數綜合分析.

以往的研究工作更多地集中在相對論電子通量產生變化的動態過程，即關注點在相對論電子通量顯著增強或者損失的階段，一些研究工作也會采用時間序列疊加法來進行統計研究，或者對單例事件分析其相關的物理機制等(Green and Kivelson, 2004; Borovsky and Denton, 2009; Ni et al., 2016; Pinto et al., 2018).與前人工作不同的是，本文對相對論電子通量長期保持倒空狀態這一通量穩定不變的階段研究其統計特征.首先通過對約1.5個太陽活動周內共62例相對論電子通量長期倒空事件的持續時間和分布情況，研究其對太陽活動水平的響應.在此基礎上，對這62例事件進行時間序列疊加法處理，分析開始和結束階段的普遍特征.同時，也對這些相對論電子通量長時間維持在背景通量水平期間，太陽風條件和地磁活動水平以及一些其他參數的特征進行不同類別事件的對比研究.最后，本文結合相關的物理機制對這類事件特征的統計結果做出可能的、合理的物理解釋.

1 數據來源與事件定義

本文采用來自Omni數據庫5 min分辨率數據來研究太陽風參數的變化情況(包括IMFBz分量、太陽風密度、速度和動壓)，和來自WDC(World Data Center)1 h分辨率數據來判斷地磁干擾強度(亞暴AE指數和磁暴Dst指數).文中使用來自SILSO(Sunspot Index and Long-term Solar Observations)的太陽黑子數據來衡量太陽活動水平的高低.

ULF波是一種全球持續性地磁脈動，在磁層能量、質量和動量的輸運過程中起著重要的作用(Zong et al., 2017).ULF波動尤其是與輻射帶高能電子漂移運動周期相近的Pc5頻段波動和粒子的相互作用一直被認為是輻射帶電子加速的主要機制之一(Rostoker et al., 1998；李柳元等，2005；宗秋剛等，2011，2013).Regi(2016)通過分析2006—2010年間ULF波在Pc5頻段波動功率的漲落發現，ULF波動功率在約2天左右的時間延遲上與地球同步軌道高能電子通量變化有強烈的相關性.Friedel等(2002)也展示相關的統計結果，表明磁暴期間至少持續12小時足夠強的ULF波功率，是隨后地球同步軌道相對論電子增強的最有效指標.此外，與分布范圍有限并且不長期存在的波動如合聲波、Electromagnetic Ion Cyclotron(EMIC)波等相比，ULF波動有全球廣泛分布的特性和可持續觀測的優點，利于統計.因此，本文引入Kozyreva等(2007)和Pilipenko等(2017)介紹的ULF波指數(Pc5頻段)，來研究ULF波強度可能對相對論電子通量產生的影響.為了更好地對應全球ULF波動強度，避免受衛星磁地方時等因素的影響，本文僅采用地面ULF波指數，即從北半球幾十個地磁臺站數據重新計算的代表全球ULF波活動強度的指數.此指數相比其他如同步軌道ULF波指數和行星際ULF波指數能更好地反映電子通量的變化(Pilipenko et al., 2017).

受不同衛星發射、運行時間的限制，也為了得到更多有效的長期倒空事件，本文主要研究相對論電子通量在地球同步軌道上的變化，并采用地球同步軌道衛星GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite)對>2 MeV能段電子通量的觀測結果.其中，我們使用GOES-10，GOES-11和GOES-13衛星數據，分別統計2000—2005年，2006—2010年和2011—2016年相對論電子通量長期倒空事件.受Pinto等(2018)工作的啟發，我們定義相對論電子通量長期倒空事件為日均通量下降至30 cm-2·sr-2·s-1以下，且持續時間達3天以上，通量無明顯隨磁地方時變化的現象.與Pinto等(2018)定義日均通量下降至10 cm-2·sr-2·s-1不同，我們放寬這個閾值至30 cm-2·sr-2·s-1，是因為Pinto等(2018)采用5 min原始數據統計2007年前的相對論電子通量長期倒空事件，而我們為了使用GOES-13優化過的1 min科學數據，在文中采用1 min原始數據進行統計.受儀器精度、計數等的影響，2000—2010年間，5 min原始數據計算得到日均通量明顯較1 min原始數據計算得到日均通量低(約低10～20 cm-2·sr-2·s-1)；而2011—2016年間，在使用GOES-13衛星數據統計時，二者相差不大，并且在此期間無論是5 min原始數據還是1 min原始數據計算得到的日均通量都沒有小于10 cm-2·sr-2·s-1的情況.因此，我們在Pinto等(2018)工作的基礎上做了優化，并統計了跨度約1.5個太陽活動周更長時間的事例.在這種篩選條件下，相對論電子通量降低至衛星背景觀測通量水平，即相對論電子近乎完全從地球同步軌道上損失.

圖1 相對論電子通量長期倒空事件的示意圖Fig.1 The identification of a long-term relativistic electron flux dropout

圖1為相對論電子通量長期倒空事件示意圖.圖中是2005年10月19日03 ∶ 00至10月28日16 ∶ 00期間>2 MeV電子通量的變化，紅色部分則為我們所選取的相對論電子通量長期倒空事件.我們以通量開始下降后達到通量最小值的時間點為事件開始的時間點，以通量開始顯著增加并在隨后的2日內有明顯日變化現象為事件結束的時間點.在排除衛星變軌等原因導致電子通量數據缺失和某些缺乏連續的、有效的太陽風參數觀測數據的事件后，我們在2000—2016年間共挑選出62例相對論電子通量長期倒空事件，其具體的起止時間和持續時間見表1.

表1 2000—2016年間地球同步軌道相對論電子通量長期倒空事件列表Table 1 List of long-term dropouts of relativistic electron flux in geosynchronous orbit from 2000 to 2016

續表1

2 相對論電子通量長期倒空事件在太陽活動周內的年分布特征

圖2所示為表1中列出的62例相對論電子通量長期倒空事件在不同年份的分布情況.圖中紅色柱狀圖為每年發生的長期倒空事件持續時間總和.這里對于起止時間分布在不同年份的事件，則按照其在不同年份實際持續的時間分別統計.圖中柱狀圖上方的黑色數字表示每年發生事件的頻次，以事件開始的時間做統計.藍色折線是以太陽黑子數年平均值表示的太陽活動年平均水平的變化曲線，其中2000—2007年屬于第23太陽活動周，2008—2016年屬于第24太陽活動周.本文共統計從第23太陽活動周峰年至第24太陽活動周下降期約1.5個太陽活動周期共17年內的相對論電子通量長期倒空事件.

從圖中可以看出，第23太陽活動周下降期的2003—2007年與第24太陽活動周上升期的2010—2014年相比，總體上在同等太陽活動水平條件下，第23太陽活動周下降期的相對論電子通量長期倒空事件持續時間較短，發生次數也較少.這可能是因為在一個太陽活動周的下降期，具有較多的HILDCAA(high-intensity long-duration continuous auroral activity)事件發生，這種持續性的高強度亞暴活動有助于相對論電子通量增強(Hajra et al., 2014, 2015; Hajra and Tsurutani, 2018)，因此我們統計的長期倒空事件就會減少甚至沒有發生.

2009年是我們觀測到長期倒空事件總持續時間最長的一年，累計持續時間共約5000小時.這表示在2009年這一整年內，地球同步軌道上有一半以上的時間都處于相對論電子通量倒空狀態，具體的原因Lee等(2013)已經做出了詳細的物理解釋，并且我們在引言部分也介紹了他們的工作，故在此不做過多的解釋說明.

總持續時間緊隨2009年，并且發生頻次最高的是2014年.這一年雖然是第24太陽活動周峰年，但我們仍然觀測到許多長期倒空事件，這說明太陽活動水平較高不代表沒有長期倒空事件發生；與之相對的，在太陽活動水平較低的2008年，我們并沒有觀測到類似2009年長時間的通量倒空現象.綜上所述，在太陽活動周的下降期，相對論電子通量倒空現象較少發生；但在太陽活動周峰年和谷年，太陽活動水平的高低并沒有完全決定是否容易出現相對論電子通量倒空現象.

3 相對論電子通量長期倒空事件產生條件和結束條件的統計特征

這一節，我們簡要對前述的62例事件開始和結束階段的IMFBz分量、太陽風速度、密度、動壓、向陽面磁層頂高度MP(magnetopause standoff distance)、等離子體層頂高度LPP(plasmapause position)、亞暴AE指數、磁暴環電流Dst指數和ULF波指數進行統計研究，發現并討論其開始、結束階段的普遍特征以及可能導致該特征產生的相關物理機制.其中，采用Shue等(1997)的方法計算向陽面磁層頂高度；采用Liu等(2015)的方法計算等離子體層頂高度.由于Liu等(2015)的方法無法重現等離子體層羽狀結構，在昏側的誤差較大，我們使用24個MLT區域的平均值來反映等離子體層頂的整體變化.經驗證，在MLT=6、12和24處等離子體層頂的變化趨勢與所有MLT區域等離子體層頂平均值的變化趨勢保持一致，區別在于：當MLT=6和12時，等離子體層頂的高度比平均值略低；當MLT=24時，等離子體層頂的高度比平均值略高.

圖2 相對論電子通量長期倒空事件在2000—2016年間的年分布特征Fig.2 The annual distribution of long-term dropouts of relativistic electron flux from 2000 to 2016

我們采用相對論電子通量下降到最低值時為事件開始階段時間序列疊加的時間0點，以通量從背景水平開始增長時為事件結束階段時間序列疊加的時間0點，并分別統計兩個階段各種參數的變化情況，具體如圖3所示.圖中藍色曲線為上下四分位點，紅色曲線為中位數.此外，我們也檢驗了平均值的變化，但受某些極高值的影響，部分參數的平均值會高于上四分位點，并不能很好地反映整體的變化水平，因此本文僅展示中位數的變化.

從圖3a的相對論電子通量倒空事件開始階段的特征圖可以看出，太陽風速度一直維持在300～400 km·s-1之間，僅在事件開始前幾小時略微增加，但整體變化比較平穩.太陽風密度和動壓在事件發生前呈現顯著增加趨勢，中位數最大值出現在事件開始前3～4 h附近并且約是事件發生前3天數值的兩倍.這樣高值的太陽風密度和動壓一直持續到事件發生后半日才恢復到平穩的狀態.與之相對應的向陽面磁層頂高度在太陽風動壓顯著增加時向靠近地球的方向運動，其中位數在事件開始時達到最小值，由事件開始前3天約11Re高度收縮至10Re以下.

GSM坐標系下IMFBz分量的中位數在事件開始前數小時有明顯北向轉南向的過程，在事件開始后數小時內Bz分量逐漸由南向轉到北向并在此后幾乎一直維持在北向.與之相對應的，Dst中位數在IMFBz分量達到南向最大值時呈現明顯的下降趨勢，Dst極小值出現在事件開始后約10 h左右.此外，在事件開始這一階段，AE指數和ULF波指數僅在事件開始前后數小時內有明顯的增加，但整體增長的幅度并不高.

在以上太陽風活動水平和地磁活動水平條件下，等離子體層頂高度在事件發生前幾乎一直維持在高L區域，其中位數高于6Re，部分時刻上四分位點等離子體層頂位置甚至超過地球同步軌道高度.這種狀態一直持續到事件發生前數小時，等離子體層頂才逐漸向內收縮，并在事件開始后幾小時又開始緩慢向外擴展.雖然本文相對論電子通量長期倒空事件與Pinto等(2018)的選取標準略有不同并且統計的事件數也更多，但得出了與Pinto等(2018)相似的結論，即事件開始時顯著增加的太陽風動壓和密度，較弱的太陽風速度和IMFBz分量中位數在事件發生前轉南向隨后一直維持在北向.我們在前人工作的基礎上增加了更多的參數，這些參數在事件開始、結束階段呈現不同的變化，為研究相對論電子通量長期倒空現象提供了更多相關的統計理論支持，也可以為未來復雜的輻射帶建模等提供一些參考依據.

圖3 基于時間序列疊加法的62例相對論電子通量長期倒空事件開始(a)和結束階段(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

“磁層頂陰影”(magnetopause shadowing)是輻射帶電子真實損失機制的一種.當太陽風動壓增加時，向內壓縮的磁層頂會導致一些原來處于閉合的漂移軌道上的粒子運動軌跡發生改變，沿著開放的磁力線逃逸并從輻射帶中大量流失(Shprits et al., 2006; Turner et al., 2012b; Kang et al., 2018).本文統計的相對論電子通量長期倒空事件開始前幾小時，明顯增加的太陽風動壓和密度引起向陽面磁層頂向靠近地球方向運動，說明了某些事例相對論電子通量損失的原因與電子向外的徑向擴散運動并最終在壓縮的磁層頂處永久損失有關.

IMFBz分量南向時，磁層頂重聯，大量粒子注入使環電流強度增強，當增強的環電流粒子產生的磁場與地磁場疊加時，地磁水平分量減小，磁暴發生.圖3a中IMFBz分量南向達到最大值后，Dst指數的下降則反映了這一點.在磁暴主相期間，環電流的增強導致地磁場減小，電子為了保持第三絕熱不變量守恒會向著遠離地心的方向徑向運動.當這些電子運動到較弱的磁場時，為了保持第一絕熱不變量守恒，電子的能量會降低.因此，指定能段電子在固定的位置會觀測到通量減小的現象(Kim and Chan, 1997).Kim 和 Chan(1997)通過計算確定磁暴期間三種絕熱不變量都保持守恒，證明了這個過程是一種完全的絕熱作用.本文的研究結果顯示，事件發生前Dst指數的下降表明某些事例與磁暴有關，說明這些事例部分電子通量的降低可能是由“Dst效應”造成的.

但是，“Dst效應”是一種完全的絕熱作用，相對論電子通量的降低不代表其真實地從輻射帶中損失.而磁暴發生期間，溫度各向異性的環電流離子的注入利于EMIC波的激發，EMIC波與高能電子相互作用使其沉降到地球大氣進而從輻射帶中永久損失是輻射帶快速損失相對論電子的主要機制(Millan and Thorne, 2007; Summers et al., 2007; Shprits et al., 2008).EMIC波主要分布在等離子體層內昏側層頂附近和等離子體羽狀結構中(Summers et al., 2007).地磁水平活躍時，EMIC波在12—18 MLT區域最為常見(Meredith et al., 2014).本文對相對論電子通量長期倒空事件開始和結束時間0點的MLT分布進行了統計，如圖4所示.從圖4a中可以看出，事件開始時刻主要集中在午后至子夜MLT=14—22區域，這一區域剛經過正午向陽面磁層頂被顯著壓縮的位置，也覆蓋了EMIC波的主要分布區域.Green等(2004)統計了同步軌道上相對論電子通量快速下降的區域，也呈現出在昏側分布最為顯著的特征.Xiang等(2017)列舉了三類輻射帶電子通量倒空事件，其主要的損失機制可以分為三種：磁層頂陰影占主導地位、EMIC波散射占主導地位以及二者綜合作用的損失機制.隨后他們利用Van Allen Probes上的相空間密度PSD(phase space density)數據統計了4年間輻射帶電子通量倒空事件，結果顯示EMIC波散射電子占主導地位的電子通量損失機制主要發生在低L*區域，并通常伴有活躍的地磁活動水平和太陽風條件；在略高的L*區域，輻射帶電子通量損失更有可能是EMIC波散射和向外的徑向擴散綜合作用導致的(Xiang et al., 2018).圖3a中，等離子體層頂在事件開始前幾乎一直維持在高L區域，部分時刻上四分位點位置可以超過地球同步軌道高度，這表明在某些事件，EMIC波對相對論電子的散射損失作用可能發生在高L區域甚至地球同步軌道高度.結合磁層頂高度下四分位點位置并沒有低至地球同步軌道高度，以及主要分布在午后至子夜MLT區域的事件開始0點(圖4a)，表明地球同步軌道高度上，相對論電子的損失更有可能是向外的徑向擴散作用和EMIC波在高L區域的投擲角散射引起的，但具體哪個機制占主導地位，需要具體事例具體分析.

圖3b所示為相對論電子通量長期倒空現象結束階段的特征圖.與開始階段不同的是，在事件結束前后三天，并沒有觀察到明顯的IMFBz分量反轉，也沒有觀察到Dst指數大幅下降的現象.這說明相對論電子通量結束長期倒空狀態時，磁暴的發生不是必要條件.此外，盡管太陽風動壓和密度的上四分位點在事件結束前1天有略微的增強，但其中位數并沒有顯著改變；磁層頂高度的下四分位點在太陽風動壓和密度略微增強時，向靠近地球方向移動，但移動的幅度并不大，并且很快就恢復到原來的水平.

事件結束階段的一個顯著特點就是太陽風速度的增加，其中位數由事件結束前3天約350 km·s-1增加到事件結束后3天400 km·s-1以上，速度的上四分位點在事件結束前幾小時有著明顯的上升趨勢，并一直保持較高水平直到事件結束后2天才有輕微的下降.事件結束階段的另一個特點就是，長時間的亞暴活動和ULF波活動.AE指數和ULF波指數在事件結束前1天就開始增強，并在事件結束后半日內仍然維持在較高水平.盡管AE指數的中位數在事件開始階段的最大值(圖3a，約200 nT)和事件結束階段的最大值(圖3b，約200 nT)近乎相等，但在事件結束階段AE指數有著近1天半的時間都處于較高水平.而ULF波指數中位數在事件結束階段的最大值(圖3b，約20 nT)，比事件開始階段的最大值(圖3a，約15 nT)明顯高.等離子體層頂高度在事件結束前1天就開始向內收縮，隨后一直維持在較低高度上，直到事件結束后3天，其上四分位點也幾乎沒有超過6Re高度.

Iles等(2002)通過統計相對論電子通量對磁暴響應不同的三類事件，得出在磁暴恢復相期間，高速的太陽風速度和IMFBz分量在0附近波動或主要是南向分布時，是相對論電子顯著增強的重要條件.類似的，O′Brien等(2001)也提到了磁暴后相對論電子通量的增加，其實更取決于高速的太陽風和恢復相期間長時間的ULF波活動.本文的研究結果也印證了高速太陽風會打破相對論電子通量倒空現象，即相對論電子通量的增加，正如圖3b所示.

圖4 相對論電子通量長期倒空事件開始(a)和結束(b)時刻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

亞暴活動也是相對論電子通量增加的一個重要原因.亞暴注入的源粒子群(數十keV)有助于合聲波的增長，當種子粒子(數百keV)與合聲波相互作用時，可以被加速到更高能量甚至相對論電子能量水平(Jaynes et al., 2015).一些強亞暴過程甚至可以直接向輻射帶注入MeV能量的電子(Dai et al., 2014, 2015).合聲波分布在等離子體層外側午夜至下午磁地方時區域(Summers et al., 2007).從圖4b中可以看出，事件結束時間0點主要分布在MLT=0—9午夜后至晨側區域，當等離子體層向內收縮時，等離子體層外側此區域的合聲波可以在廣闊的L范圍內加速由磁尾注入的粒子至更高能量.

與亞暴發生期間增強的合聲波對電子的局地加速機制不同的是，ULF波動可以通過漂移-共振加速增強全球的相對論電子通量，因為ULF波動中Pc5能段的波動頻率與相對論電子的漂移頻率接近(Green and Kivelson, 2004; 宗秋剛等, 2013; Su et al., 2015; Regi, 2016; Li et al., 2018).由磁尾注入的電子可以在午夜至晨側區域通過合聲波加速到較高能量，也可以通過與ULF波漂移共振繼續加速，并逐漸擴散至所有MLT區域，因此，相對論電子通量長期倒空現象得以恢復.本文所展示的在事件結束階段長達一天半時間內高強度亞暴活動和ULF波活動與事件開始階段只有幾小時的活躍水平相比，可以為相對論電子通量的增長提供必要的源和加速機制，故而相對論電子通量從長期倒空狀態恢復時常伴隨著較強的亞暴活動和ULF波活動.

4 維持相對論電子通量長期倒空現象的條件及其與磁暴強度的關系

前文描述了相對論電子通量長期倒空事件開始和結束階段的不同特征.在開始階段，磁層頂向內收縮，等離子體層頂一直維持在較高的高度上，向外的徑向擴散結合磁層頂損失以及磁暴過程中波粒相互作用散射電子等損失機制占主導地位，相對論電子通量下降至背景通量水平.在結束階段，長時間的亞暴活動和ULF波活動等能為相對論電子的產生提供足夠的粒子源和加速過程，因此相對論電子通量可以從背景通量水平顯著增長.這一節則主要研究相對論電子可以持續3天以上時間維持在背景通量水平這一階段的特征.

4.1 有無磁暴發生事件的選取標準

由于磁暴發生期間的各種物理機制比較復雜，也為了研究有磁暴發生和無磁暴發生事件是否存在顯著的區別，本文把事件發生期間的過程分為兩類，即有磁暴發生事件和無磁暴發生事件.通常，Dst<-200 nT是大磁暴，-200≤Dst<-100 nT是強磁暴，-100 ≤Dst<-50 nT是中等磁暴，-50 ≤Dst<-30 nT是小磁暴(Gonzalez et al., 1999).我們以磁暴重要的兩個階段，即主相和恢復相(磁暴不同相位的劃分依照Partamies等(2013)的標準)都出現在相對論電子通量長期倒空事件期間定義為有磁暴發生事件，如圖5a所示(圖5中所示參數與圖3中所示參數一致).圖中陰影區域表示相對論電子通量長期倒空現象.而如圖5b所示，盡管在9月12日事件開始前有中等磁暴發生，但當相對論電子通量開始降低至背景通量水平時處于磁暴恢復相階段，其余陰影部分并沒有磁暴發生，我們把這類事件定義為無磁暴發生事件.關于圖5b所示的2014年9月相對論電子通量長期倒空事件，Alves等(2016)已進行了相關研究，這個事件的產生是由在磁層深處L≤5區域電子通過共振波驅動的散射損失和在L>5區域絕熱和非絕熱作用導致的遠離地心的徑向輸送過程將電子傳輸到日側被壓縮的磁層區域，最終由磁層頂損失導致的.

4.2 有無磁暴發生事件期間不同參數的統計對比

我們把表1中的62例事件按4.1節的標準分類后，共得到18個有磁暴發生事件和44個無磁暴發生事件.為了更好的歸一化比較，并且清晰地陳列不同參數在不同數值區間的分布情況，我們以參數的具體數值區間為橫軸，以在不同區間范圍內的事件個數占這類事件總數的百分比為縱軸，并對事件發生期間的太陽風速度、密度、動壓、磁層頂高度、等離子體層頂高度、AE指數和ULF波指數的平均值和最值(除磁層頂高度為最小值外，其余均為最大值)分別統計比較，具體如圖6所示.圖中紅色柱狀圖表示有磁暴發生事件，藍色柱狀圖為無磁暴發生事件，每張小圖不同顏色的垂直線則表示這一類事件在不同參數統計下的平均水平(即單類事件在各個參數下的平均值).

圖5 2002年2月有磁暴相對論電子通量長期倒空事件(a)和2014年9月無磁暴相對論電子通量長期倒空事件(b)Fig.5 Example of long-term dropout of relativistic electron flux with storm in February 2002 and without storm in September 2014

圖6 有無磁暴發生事件期間各類參數的統計對比圖Fig.6 Comparison of various parameters during events with or without magnetic storm

如圖6a1所示，有磁暴發生事件期間太陽風速度平均值的平均水平(垂直紅線)為377 km·s-1，與無磁暴發生事件期間太陽風速度平均值的平均水平(垂直藍線)376 km·s-1幾乎一致；這兩類事件期間太陽風速最大值的平均水平相差也并不大，分別為536 km·s-1和522 km·s-1.這說明這兩類事件在太陽風速度上并沒有較大差距，盡管大部分事件都有最高風速在400～600 km·s-1范圍內，但整體上太陽風速度比較低，事件發生期間太陽風速度平均值幾乎都低于450 km·s-1以下.從圖6b1—b2、c1—c2可以看出，在太陽風密度和動壓的平均值和最大值方面，有、無磁暴發生事件期間的平均水平相近，兩類事件在不同參數的不同區間分布情況也類似，只是有磁暴發生事件的平均水平比無磁暴發生事件的平均水平略高.圖6f1—f2、g1—g2關于AE指數和ULF波指數的統計結果也類似，即有磁暴發生事件的平均水平略高于無磁暴發生事件的平均水平.只有如圖6d1—d2、e1—e2所示的磁層頂高度與等離子體層頂高度的統計結果中，無磁暴發生事件期間的平均水平才比有磁暴發生事件期間的平均水平略高.這是因為沒有磁暴發生時，磁層相比地磁水平活躍時向外擴展，因此磁層頂高度與等離子體層頂高度會較地磁水平活躍時偏高.

綜上所述，相對論電子通量長期倒空現象發生時，主要有兩種情況：第一種，通量倒空時有磁暴發生，太陽風速度、密度、動壓都相比平靜時略高，與亞暴活動有關的AE指數偏高，ULF波指數也偏高.這類事件可能是由于磁暴發生期間，電子的損失機制(例如：動壓增強導致的磁層頂損失，磁暴期間波粒相互作用投擲角散射損失等)與亞暴注入、ULF波加速粒子機制等保持了一個動態平衡，所以相對論電子通量仍然可以維持在背景通量水平.第二種，與平靜的太陽風條件和較弱的地磁活動水平、較少的ULF波活動水平相關，這期間磁層頂高度與等離子體層頂高度都相比地磁水平活躍時偏高.這類事件可能是因為太陽風擾動較少，地球輻射帶一直保持在相對穩定的狀態，并且缺乏可以使相對論電子通量增長的源，故而這種情況下，相對論電子通量也可以一直保持在較低水平.盡管在不同種類的相對論電子通量長期倒空事件期間，不同參數不同數值區間的分布有些許差異，但這兩類事件在各個參數的平均水平十分相近，沒有較大差距，磁暴發生與否究竟與相對論電子通量長期倒空現象是否有關，我們將在4.3節繼續探討.

4.3 磁暴強度與維持相對論電子通量長期倒空現象的關系

在引言部分，我們簡述了磁暴會對相對論電子通量產生三種影響，即增長、損失和近乎保持不變(Reeves et al., 2003; Anderson et al., 2015)，并且在Kim等(2015)文中也提到了同步軌道電子通量的增強似乎與磁暴無關，許多研究都表明磁暴并不是引起相對論電子通量變化的一個有效指標.但是，受Anderson等(2015)研究的小磁暴對相對論電子通量的損失能力要比中、高磁暴略強這一結果的啟發，我們也對相對論電子通量能維持長期倒空狀態期間磁暴的強度進行相關研究，來分析磁暴強度與維持這種長期倒空現象可能的聯系.

為了對比事件開始、結束階段與事件發生期間出現磁暴的異同，我們統計了18例有磁暴發生事件和44例無磁暴發生事件，對事件開始、結束和相對論電子通量持續倒空期間三個不同時間階段出現的磁暴強度(S：小磁暴；M：中等磁暴；I：強磁暴和大磁暴)和相位(M：磁暴主相；R：磁暴恢復相)進行統計，如表2所示.從表中可以看出，無論是有磁暴發生事件還是無磁暴發生事件，在事件開始和結束階段，都有部分事例與磁暴過程相關.并且，這兩類事件在事件開始時，大部分事例處于磁暴主相階段；在事件結束時，大部分事例處于磁暴恢復相階段.這是因為磁暴主相期間，與絕熱不變量有關的絕熱損失、沉降至地球大氣和磁層頂損失的非絕熱損失使相對論電子通量降低；在磁暴恢復相階段，通過亞暴活動和大規模太陽風活動激發的感應電場引起電子注入，伴隨著絕熱和非絕熱加速作用使相對論電子通量增長(Lazutin et al., 2018).

表2 兩類相對論電子通量長期倒空事件開始、結束及事件期間磁暴強度、相位的統計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

縱觀這三個階段發生的磁暴強度可以看出，幾乎所有的磁暴都是小、中強度，并且小磁暴發生的次數也遠比中等磁暴高.特別是在相對論電子通量維持長期倒空狀態時，沒有一例大磁暴事件發生.雖然磁暴會引起相對論電子通量增加、減少或者保持不變，無法單從磁暴發生與否的角度判斷相對論電子通量的走向，但是我們的研究結果表明，相對論電子通量的變化在一定的程度上與磁暴的相位和磁暴的強度有關.此外，相對論電子通量維持長期倒空時，磁暴的強度并不高，這也是為什么我們4.2節統計的有磁暴發生事件和無磁暴發生事件在不同參數的平均水平相差不大的原因.

磁暴效應可以由兩種日地關系過程引發，一種是日冕物質拋射(CME)驅動的磁暴，另一種是共轉相互作用區(CIR)驅動的磁暴.大磁暴一般都是由CME驅動的，其磁暴主相的形成是由南向的IMF導致的，恢復相通常比較短暫；CIR驅動的磁暴主相由于IMFBz分量不斷波動所以呈現不規律性，其強度也比CME驅動的磁暴小很多，但恢復相可以從幾天持續到數周(Gonzalez et al., 1999; Borovsky and Denton, 2006).袁憧憬和宗秋剛(2011)通過研究磁暴發生期間外輻射帶1.5～6.0 MeV電子通量的變化發現，對于CME驅動的磁暴無論是在主相還是恢復相期間電子通量在6≤L≤7區域都出現了增強，而CIR驅動的磁暴，在相同的區域并沒有明顯地觀察到增強現象.Yuan和Zong(2012，2019)通過統計大量不同太陽風/行星際結構觸發的磁暴過程期間輻射帶電子總含量指數(Radiation Belt Content Index, RBC)的變化發現，CME驅動的磁暴比CIR驅動的磁暴能夠更有效地加速整個外輻射帶電子，但在地球同步軌道上CIR驅動的磁暴比CME驅動的磁暴可以產生更多的相對論電子，這可能是因為CME驅動的磁暴在磁暴恢復相階段外輻射帶向內移動，而CIR驅動的磁暴在磁暴恢復相階段外輻射帶向外移動.本文的研究結果表明，在維持同步軌道相對論電子通量長期倒空現象時，沒有強磁暴發生，可能是因為恢復相短暫的CME驅動的大磁暴在磁暴主相和恢復相間相對論電子通量都會出現增強，不利于相對論電子通量長期維持在背景通量水平.雖然CIR磁暴能夠更有效地產生同步軌道相對論電子，但是并不是所有的磁暴都能加速電子，而我們的研究結果也僅代表地球同步軌道高度相對論電子通量的變化，不能代表整個外輻射帶相對論電子總含量的變化，也無從對比磁暴對整個外輻射帶產生的影響.當整個外輻射帶電子通量倒空時，同步軌道上相對論電子通量會出現倒空現象；當輻射帶中心向內移動，整個外輻射帶被壓縮時，同步軌道相對論電子通量同樣會出現倒空現象.同步軌道相對論電子通量的變化僅是外輻射帶變化的一部分，整個外輻射帶的形態以及受磁暴的響應仍需深入研究和探討.

5 總結

本文通過對2000—2016年GOES衛星觀測的地球同步軌道上相對論電子通量長期倒空現象進行統計研究，得出主要結論如下：

(1)相對論電子通量長期倒空事件在太陽活動周不同階段的大尺度時間分布特征表明，在太陽活動周下降期，相對論電子通量長期倒空事件較少甚至沒有發生；在太陽活動周峰年和谷年，相對論電子通量倒空現象的發生率與太陽活動水平的高低并沒有直接聯系.

(2)這類事件開始時，主要發生在MLT=14—22區域.這類事件的產生條件，一方面與IMFBz分量在事件發生前北向轉南向，事件發生后由南向轉回北向并一直維持北向，Dst指數顯著下降發生磁暴過程，以及長時間擴張的等離子體層有關；另一方面與事件發生前后顯著增強太陽風動壓、密度，磁層頂向內壓縮有關.

(3)當電子通量降低至背景通量水平時，為了維持這種現象，無論長期倒空事件發生期間有無磁暴發生，都是在較弱的太陽風條件、ULF波活動水平條件下.此外，長期倒空現象發生時，不會出現強磁暴過程，并且小磁暴事件也比中等強度磁暴事件發生頻率高.

(4)相對論電子通量打破倒空狀態時，主要發生在MLT=0—9區域，通常會伴有長時間的高速太陽風條件、長時間的高強度亞暴活動和ULF波活動以及向內壓縮的等離子體層.

本文研究的關注點在相對論電子通量可以長期保持倒空狀態這一類特殊現象，從統計方面加深了引起相對論電子通量變化的有關物理機制的認識.本文的研究結果表明，等離子體層頂和磁層頂高度都有助于判斷相對論電子通量的變化，ULF波指數可以作為判斷相對論電子通量增長情況的一個有效指標，如果后續的預報模型可以增加更多的參數，對加速機制和損失機制強弱的競爭關系充分建模，會對相對論電子通量的準確預報起到一定的促進作用.此外，本文的研究結果也充分說明了磁暴的強度可能會對相對論電子通量的變化產生影響，但有關磁暴過程中各種物理機制的綜合分析仍需深入的研究和探討.

致謝特別感謝俄羅斯基礎研究基金會(19-05-00960)、國際空間科學研究所(ISSI-Beijing No.439)和國家留學基金的資助.感謝來自NOAA GOES提供的同步軌道相對論電子通量數據，OMNI database提供的太陽風參數數據, WDC提供的地磁指數和ulf.gcras.ru/網站提供的ULF波指數數據.特別感謝加利福尼亞大學伯克利分校Ilan Roth教授的建議和討論.