陳洋， 鄒鴻， 陳鴻飛， 于向前， 施偉紅

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院， 北京　100871

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暴時(shí)內(nèi)輻射帶高能質(zhì)子的損失和恢復(fù)機(jī)制探究

陳洋， 鄒鴻*， 陳鴻飛， 于向前， 施偉紅

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院， 北京100871

摘要我們利用NOAA17衛(wèi)星對(duì)內(nèi)輻射帶高能質(zhì)子的觀測(cè)結(jié)果研究了大磁暴期間內(nèi)輻射帶質(zhì)子通量的變化過(guò)程.我們發(fā)現(xiàn)內(nèi)輻射帶質(zhì)子出現(xiàn)兩種不同的暴時(shí)損失事件.在大磁暴發(fā)生時(shí)，內(nèi)輻射帶外邊界質(zhì)子通量會(huì)迅速減小，然后緩慢恢復(fù)；而在內(nèi)輻射帶中心區(qū)的質(zhì)子通量(即南大西洋異常區(qū)(SAA)質(zhì)子通量最大值)的暴時(shí)變化表現(xiàn)為質(zhì)子通量的一個(gè)迅速的減小和迅速恢復(fù).內(nèi)輻射帶外邊界的損失事件主要發(fā)生在較低能量質(zhì)子能檔，而內(nèi)輻射帶中心處的損失事件發(fā)生在所有質(zhì)子能檔.兩種損失事件中質(zhì)子通量的不同變化意味著內(nèi)輻射帶質(zhì)子可能有不同的損失和產(chǎn)生機(jī)制.通過(guò)分析，我們認(rèn)為內(nèi)輻射帶外邊界處質(zhì)子通量損失事件主要由磁場(chǎng)曲率散射機(jī)制造成，而其恢復(fù)機(jī)制主要是宇宙線反照中子衰變(CRAND).內(nèi)輻射帶中心區(qū)(即南大西洋異常區(qū)質(zhì)子通量最大處)質(zhì)子通量損失事件可能與Dst效應(yīng)有關(guān).

關(guān)鍵詞南大西洋異常區(qū)； 內(nèi)輻射帶質(zhì)子； 磁暴； 邊界損失事件； 中心損失事件； 恢復(fù)機(jī)制

1引言

由于諸多航天器運(yùn)行在輻射帶區(qū)域，地球輻射帶中高能粒子的動(dòng)態(tài)變化一直是空間物理和空間輻射環(huán)境研究的一個(gè)熱點(diǎn).當(dāng)前輻射帶研究的熱點(diǎn)主要是外輻射帶的動(dòng)態(tài)變化.外輻射帶(3

相比之下，內(nèi)輻射帶質(zhì)子被認(rèn)為更為穩(wěn)定，其變化主要是隨11年的太陽(yáng)活動(dòng)周期變化(Li et al., 2001)，Miyoshi等(2000)發(fā)現(xiàn)地球大氣和電離層的變化對(duì)低高度內(nèi)輻射帶質(zhì)子的長(zhǎng)期變化有影響.但近年來(lái)內(nèi)輻射帶的短期變化引起了越來(lái)越多的重視.一些研究表明劇烈的磁擾動(dòng)的影響可能會(huì)擴(kuò)展到L值很低的區(qū)域.在2003年3月底的劇烈地磁活動(dòng)區(qū)間，有能量達(dá)到幾十MeV的電子和質(zhì)子被突然注入到L=3的區(qū)域(Blake et al., 1992).根據(jù)太陽(yáng)異常磁層粒子探索者(SAMPEX)衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果，Looper等(2005)發(fā)現(xiàn)在2003年10月底到11月初發(fā)生的著名的‘Halloween’事件期間，在L=2的區(qū)域19～29 MeV和86～120 MeV的質(zhì)子幾乎完全消失了，并提出這些質(zhì)子的損失可能是由于磁場(chǎng)曲率散射和加熱大氣密度增加導(dǎo)致的庫(kù)侖碰撞頻率增加造成的.Selesnick等(2010)在HEO-3衛(wèi)星從1998年到2005年共8年的長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了更多的內(nèi)輻射帶質(zhì)子損失事件.在大磁暴發(fā)生時(shí)，內(nèi)輻射帶外邊界區(qū)域(L=2～3)的較低能量質(zhì)子會(huì)迅速消失，形成損失事件，隨后質(zhì)子通量緩慢恢復(fù)到暴前水平.對(duì)于Dst<-100 nT的大磁暴來(lái)說(shuō)，損失事件所在的L值范圍與最小Dst值有關(guān).這些損失事件可以向內(nèi)擴(kuò)展到L=2的區(qū)域，而這些事件向內(nèi)擴(kuò)展能達(dá)到的最小L值不隨三個(gè)質(zhì)子通道(8.5～35 MeV, 16～40 MeV和27～45 MeV)的能量變化.Selesnick等(2010)利用暴時(shí)動(dòng)態(tài)地磁場(chǎng)模型模擬了內(nèi)輻射帶質(zhì)子的磁場(chǎng)曲率散射過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在內(nèi)輻射帶外邊界發(fā)生的質(zhì)子損失事件可部分由大磁暴時(shí)出現(xiàn)的磁場(chǎng)曲率散射解釋.

Zou等(2011)利用運(yùn)行于太陽(yáng)同步軌道的NOAA-POES衛(wèi)星(NOAA-15，-16 和-17)的長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果，研究了內(nèi)輻射帶質(zhì)子的暴時(shí)變化.在大磁暴時(shí)，更高能量質(zhì)子(35～70 MeV，70～140 MeV和140～500 MeV)在內(nèi)輻射帶外邊界也出現(xiàn)損失事件.NOAA衛(wèi)星觀測(cè)的35～70 MeV和70～140 MeV兩個(gè)能段的質(zhì)子損失事件與HEO-3的觀測(cè)類似：在磁暴主相，內(nèi)輻射帶外邊界的質(zhì)子通量迅速減小，然后質(zhì)子通量緩慢恢復(fù)，其恢復(fù)期可長(zhǎng)達(dá)數(shù)月.然而，NOAA衛(wèi)星觀測(cè)的140～500 MeV質(zhì)子在內(nèi)輻射帶外邊界幾乎未出現(xiàn)損失事件.這說(shuō)明內(nèi)輻射帶外邊界處質(zhì)子的暴時(shí)變化與質(zhì)子能量有關(guān).

實(shí)際上，被低地球軌道衛(wèi)星觀測(cè)到的內(nèi)輻射帶質(zhì)子主要分布在南大西洋異常區(qū).由于地磁偶極軸與地球自轉(zhuǎn)軸不重合，內(nèi)輻射帶被捕獲粒子在南大西洋異常區(qū)可以降低到低高度，形成高帶電粒子輻射區(qū).因此，地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期變化可以導(dǎo)致南大西洋異常區(qū)帶電粒子分布特征的變化.SAA帶電粒子分布特征的長(zhǎng)期變化已經(jīng)被很多研究所證實(shí).一個(gè)典型的例子就是SAA中心位置的長(zhǎng)期變化.SAA中心位置可由地磁場(chǎng)、帶電粒子通量或輻射效應(yīng)的分布獲得(Konradi et al., 1994; Laurients et al., 1995; Badhwar et al., 1996; Heynderickx, 1996; Badhwar, 1997; Grigoryan et al., 2008).所有這些研究結(jié)果表明隨著地磁場(chǎng)的長(zhǎng)期演化，SAA中心有向西漂移的趨勢(shì).另一個(gè)重點(diǎn)研究的SAA特征是質(zhì)子通量的長(zhǎng)期變化.根據(jù)低地球軌道衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果，SAA質(zhì)子通量長(zhǎng)期變化與F10.7太陽(yáng)活動(dòng)呈反相關(guān)(Huston et al., 1996; Miyoshi et al., 2000; Li et al., 2001; Qin et al., 2014).在以往的研究中，獲取SAA特征的方法通常是用類高斯函數(shù)擬合長(zhǎng)時(shí)間累積的粒子通量隨地理經(jīng)度或緯度的分布.在傳統(tǒng)方法中，粒子通量至少需要累積1個(gè)月，因此該方法無(wú)法獲得SAA參數(shù)的短期變化.

為了獲取SAA參數(shù)的短期變化，我們(Zou et al., 2015)提出了5天數(shù)據(jù)滑動(dòng)窗口方法，并利用該方法對(duì)NOAA-POES衛(wèi)星從1998年到2005年的觀測(cè)到的高能質(zhì)子進(jìn)行了研究.我們發(fā)現(xiàn)在大磁暴時(shí)，SAA的質(zhì)子通量分布特征(maxSAA和areaSAA，即SAA最大質(zhì)子通量和SAA面積)出現(xiàn)明顯的暴時(shí)短期變化，即在磁暴主相SAA參數(shù)迅速減小(～10%)，然后在磁暴恢復(fù)相迅速恢復(fù).實(shí)際上SAA最大質(zhì)子通量，一般指在SAA中心處的質(zhì)子通量，也就是內(nèi)輻射帶中心質(zhì)子通量.而根據(jù)我們的研究結(jié)果，內(nèi)輻射帶中心出現(xiàn)的質(zhì)子損失事件與內(nèi)輻射帶邊界的質(zhì)子損失事件在時(shí)間響應(yīng)上存在差異.這種差異有可能與內(nèi)輻射帶不同位置質(zhì)子的損失和恢復(fù)機(jī)制有關(guān).

本文考察了從2003年到2006年幾次大磁暴期間NOAA POES衛(wèi)星觀測(cè)到的三個(gè)積分能量(>35 MeV, >70 MeV和>140 MeV)質(zhì)子通量在內(nèi)輻射帶外邊界和中心處的損失事件，并探討了在內(nèi)輻射帶不同位置出現(xiàn)的質(zhì)子損失事件中質(zhì)子通量損失和恢復(fù)涉及到的可能物理機(jī)制.

2儀器數(shù)據(jù)

本文所使用的質(zhì)子通量數(shù)據(jù)來(lái)自于NOAA17衛(wèi)星上中能質(zhì)子電子探測(cè)器(MEPED)的P7,P8和P9三個(gè)全向質(zhì)子探測(cè)器.該衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)間為2002年6月，一直運(yùn)行到2013年4月.本文主要使用了這顆衛(wèi)星從2003年到2006年的觀測(cè)數(shù)據(jù).NOAA17衛(wèi)星運(yùn)行在高度約為840 km的太陽(yáng)同步軌道.每個(gè)全向探測(cè)器的傳感器都有一塊3 mm厚、靈敏面積為50 mm2的硅面磊型固體探測(cè)器.P7探測(cè)器外面覆蓋有一個(gè)2.13 mm厚的銅屏蔽層，可測(cè)量的最小質(zhì)子能量為35 MeV，視場(chǎng)角為120°.P8探測(cè)器外面覆蓋有一個(gè)4.57 mm厚的鎢屏蔽層，可測(cè)量的最小質(zhì)子能量為70 MeV，視場(chǎng)角為180°.P9探測(cè)器外面覆蓋有一個(gè)14.96 mm厚的鎢屏蔽層，可測(cè)量的最小質(zhì)子能量為140 MeV，視場(chǎng)角為180°.P8和P9探測(cè)器的鎢屏蔽層可以阻止能量小于10 MeV的相對(duì)論電子入射其固體探測(cè)器(Evans et al., 2008).全向探測(cè)器安裝的朝向?yàn)榇怪钡厍虮砻鎻较蛳蛲?三個(gè)積分能檔>35 MeV, >70 MeV 和>140 MeV的質(zhì)子通量可由P7，P8和P9探測(cè)器的計(jì)數(shù)率計(jì)算得到(Evans and Greer, 2004).我們使用的Dst指數(shù)來(lái)自于國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)(http:∥spidr.ngdc.noaa.gov/spidr/).為了分析加熱大氣碰撞機(jī)制的影響，我們使用了CHAMP衛(wèi)星對(duì)地球表面大約400 km高度的中性大氣密度的觀測(cè)數(shù)據(jù).

3觀測(cè)結(jié)果

3.1內(nèi)輻射帶外邊界的暴時(shí)損失事件

為了研究?jī)?nèi)輻射帶外邊界的暴時(shí)質(zhì)子通量損失事件，我們對(duì)NOAA17衛(wèi)星在不同L值點(diǎn)觀測(cè)的三個(gè)積分能檔質(zhì)子通量進(jìn)行了日平均.L值取值范圍為1到7，間隔為0.1.則在同一天內(nèi)所有落在某個(gè)L值范圍(如L=1.0～1.1)內(nèi)的質(zhì)子通量被取平均值，該質(zhì)子通量平均值對(duì)應(yīng)的L值為1.05，對(duì)應(yīng)的時(shí)間為同一天內(nèi)所有數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間的平均值，由此我們可以得到每天對(duì)應(yīng)的質(zhì)子通量隨L值的分布.圖1顯示了2003年1月1日到2006年12月31日NOAA17衛(wèi)星觀測(cè)到的>35 MeV、>70 MeV和>140 MeV質(zhì)子通量隨L值和時(shí)間的分布.圖中顯示的L值范圍為1到2.5，即內(nèi)輻射帶質(zhì)子分布范圍.從圖1中我們可以看到在2003年到2004年的幾次大磁暴期間，>35 MeV質(zhì)子在內(nèi)輻射帶外邊界出現(xiàn)明顯的通量損失事件.>70 MeV質(zhì)子在內(nèi)輻射帶外邊界也出現(xiàn)通量損失事件，但不如>35 MeV質(zhì)子明顯.>140 MeV質(zhì)子在內(nèi)輻射帶外邊界基本上看不出存在通量損失事件.

為了進(jìn)一步了解內(nèi)輻射帶質(zhì)子通量的暴時(shí)響應(yīng)，我們研究了內(nèi)輻射帶外邊界某個(gè)L值處的質(zhì)子通量隨時(shí)間的變化.根據(jù)圖1所示，在內(nèi)輻射帶不同能量的質(zhì)子分布在不同的L值范圍.根據(jù)磁場(chǎng)曲率散射理論(Zou et al., 2011)，能量越高的質(zhì)子可以被穩(wěn)定捕獲的L值邊界越低.對(duì)于>35 MeV、>70 MeV和>140 MeV質(zhì)子，我們分別選擇了L值等于2.15、1.95和1.75(如圖1中白色虛線所示)做為這三個(gè)能檔質(zhì)子的內(nèi)輻射帶外邊界.

圖2顯示了>35 MeV、>70 MeV和>140 MeV質(zhì)子分別在L值等于2.15、1.95和1.75處的質(zhì)子通量隨時(shí)間的變化.為了對(duì)比，我們也顯示了同一時(shí)間范圍內(nèi)的Dst指數(shù)隨時(shí)間的變化.從圖2可以看到，對(duì)于Dst<-100 nT的大磁暴，>35 MeV和>70 MeV的質(zhì)子在內(nèi)輻射帶外邊界出現(xiàn)明顯的損失事件.而>140 MeV質(zhì)子通量基本不受磁暴影響.另外，從圖2我們可以進(jìn)一步確定這些損失事件的時(shí)間響應(yīng)特性，即在磁暴主相質(zhì)子通量有一個(gè)非常迅速的減小，然后跟隨一個(gè)非常緩慢的通量恢復(fù)過(guò)程.對(duì)于兩個(gè)較低能檔質(zhì)子來(lái)說(shuō)，質(zhì)子通量從2003年10月的大磁暴開始迅速減小，經(jīng)過(guò)幾次大磁暴的作用，一直到2006年3月才完全恢復(fù).

根據(jù)圖1和圖2所示，我們可以總結(jié)磁暴時(shí)內(nèi)輻射帶外邊界的質(zhì)子通量損失事件的特點(diǎn)：(1) 在大磁暴時(shí)，較低能量的質(zhì)子在內(nèi)輻射帶外邊界會(huì)出現(xiàn)明顯的損失事件，而高能質(zhì)子則無(wú)明顯暴時(shí)響應(yīng)；(2) 內(nèi)輻射帶外邊界的質(zhì)子損失事件中，質(zhì)子通量迅速減小，然后緩慢恢復(fù).

圖1　2003年到2006年NOAA17衛(wèi)星觀測(cè)的三個(gè)積分能檔的日均質(zhì)子通量隨L值和時(shí)間的變化 (a)、(b)和(c)分別為>35 MeV、>70 MeV和>140 MeV質(zhì)子通量分布.圖中橫坐標(biāo)為世界時(shí)，縱坐標(biāo)為L(zhǎng)值.質(zhì)子微分通量單位為protons/cm2/s/sr.顏色代表了質(zhì)子微分通量的對(duì)數(shù)值.Fig.1　The daily average proton fluxes of three integral energy observed by NOAA17 as a function of L and time from 2003 to 2006 (a), (b) and (c) respectively represents >35 MeV, >70 MeV and >140 MeV proton flux distribution. In the figure, horizontal coordinate represents universal time and vertical coordinate represents the value of L. The differential flux unit is protons/cm2/s/sr. The colors reveal the logarithm of the proton differential flux.

圖2　三個(gè)積分能檔質(zhì)子在內(nèi)輻射帶外邊界的通量隨時(shí)間的變化與Dst指數(shù)隨時(shí)間變化的比較 (a) >35 MeV質(zhì)子在L=2.15的通量隨時(shí)間變化; (b) >70 MeV質(zhì)子在L=1.95的通量隨時(shí)間變化; (c) >140 MeV質(zhì)子在L=1.75的通量隨時(shí)間變化; (d) Dst指數(shù)隨時(shí)間變化.質(zhì)子微分通量單位為protons/cm2/s/sr.Fig.2　The comparison between the temporal variation of the proton flux of three integral energy near the outer boundary of inner belt and the temporal variation of the Dst index (a) Shows the temporal variation of >35 MeV proton flux in the region of L=2.15; (b) Shows the temporal variation of >70 MeV proton flux in the region of L=1.95; (c) Shows the temporal variation of >140 MeV proton flux in the region of L=1.75; (d) Shows the temporal variation of Dst index. The proton differential flux unit is protons/cm2/s/sr.

3.2南大西洋異常區(qū)的暴時(shí)響應(yīng)

實(shí)際上，NOAA17衛(wèi)星能夠觀測(cè)到內(nèi)輻射帶質(zhì)子的區(qū)域主要集中在南大西洋異常區(qū)(簡(jiǎn)稱異常區(qū)).以前的異常區(qū)研究中，為了確定異常區(qū)參數(shù)(如異常區(qū)中心位置、異常區(qū)中心最大通量和異常區(qū)尺寸等)，需要累計(jì)長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)(通常超過(guò)一個(gè)月)以確保對(duì)異常區(qū)具有足夠的數(shù)據(jù)覆蓋率.而由此獲得的異常區(qū)參數(shù)隨時(shí)間的變化只能反映異常區(qū)的長(zhǎng)期演化，而不能獲得其參數(shù)的短期變化.為了研究?jī)?nèi)輻射帶質(zhì)子在異常區(qū)的暴時(shí)響應(yīng)，我們發(fā)展了一種5天滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口的方法(Zou et al., 2015)來(lái)獲取兩個(gè)主要的異常區(qū)參數(shù)：maxSAA(異常區(qū)中質(zhì)子通量最大值)和areaSAA(異常區(qū)面積).在該方法中，我們選取NOAA衛(wèi)星觀測(cè)的5天數(shù)據(jù).這一數(shù)據(jù)長(zhǎng)度即可以滿足對(duì)異常區(qū)的最小數(shù)據(jù)覆蓋率需求，同時(shí)也可以使異常區(qū)參數(shù)的短期變化不會(huì)被平均掉.通過(guò)以下三個(gè)步驟可以從5天數(shù)據(jù)中獲取異常區(qū)參數(shù)maxSAA和areaSAA：首先，根據(jù)地理參數(shù)條件(經(jīng)度范圍：-150°～60°；緯度范圍：-60°～30°；L值范圍：L<2.0)，挑選出地理位置在異常區(qū)中的質(zhì)子通量數(shù)據(jù)；然后通過(guò)表面擬合方法將被選出的數(shù)據(jù)插值到分辨率為0.5°×0.5°的一個(gè)地理經(jīng)緯度網(wǎng)格點(diǎn)陣中(421×181點(diǎn)陣).點(diǎn)陣中每一個(gè)點(diǎn)代表一個(gè)0.5°×0.5°正方形面元(該面元以該點(diǎn)為中心)；最后從被投影好的數(shù)據(jù)矩陣中獲得maxSAA和areaSAA.maxSAA即該數(shù)據(jù)網(wǎng)格點(diǎn)中質(zhì)子通量最大值，單位為protons·cm-2·s-1·sr-1.為了獲取areaSAA，我們需要設(shè)定一個(gè)閾值通量.在經(jīng)緯度點(diǎn)陣中，質(zhì)子通量超過(guò)該閾值通量的所有點(diǎn)代表的面元之和被認(rèn)為是areaSAA.areaSAA是中心點(diǎn)質(zhì)子通量超過(guò)閾值通量的面元的個(gè)數(shù)(通常用1°×1°的正方形面元數(shù)量表示).實(shí)際上，在NOAA17衛(wèi)星的平均軌道高度(840 km)，一個(gè)面元的面積大約為3963.2 km2，因此areaSAA單位也可以換算為km2.這兩個(gè)異常區(qū)參數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為這5天的中間時(shí)刻.通過(guò)5天數(shù)據(jù)覆蓋時(shí)間窗口的滑動(dòng)，我們可以獲得每日的異常區(qū)兩個(gè)參數(shù).

圖3顯示了利用上述方法從NOAA17在地磁平靜期觀測(cè)到的累計(jì)5天(2003年10月5日至9日)的>70 MeV質(zhì)子通量數(shù)據(jù)中獲取maxSAA和areaSAA的例子.在本例中為了獲得areaSAA，我們選擇的閾值通量為10protons·cm-2·s-1·sr-1.由此，得到maxSAA和areaSAA分別為381.3(單位為protons·cm-2·s-1·sr-1)和3448.25(單位為1°×1°面元的個(gè)數(shù)).這兩個(gè)異常區(qū)參數(shù)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為2003年10月7日12時(shí).

圖3　NOAA17衛(wèi)星在地磁活動(dòng)平靜時(shí)(2003年10月5日—9日)觀測(cè)的>70 MeV質(zhì)子通量在全球的分布(a)和利用5天滑動(dòng)窗口法獲得的在異常區(qū)的分布(b).在2003年10月5日至9日期間，日平均Dst指數(shù)的變化范圍為-9～5 nT.圖中顏色代表了質(zhì)子微分通量的對(duì)數(shù)值.為了方便計(jì)算，areaSAA表示的是面元1°×1°的數(shù)量Fig.3　The global distribution (a) and the SAA distribution (b) of >70 MeV proton flux observed by NOAA 17 in a geomagnetic quiet time (from 5 to 9 October 2003). The SAA distribution is acquired by the 5 day running average method. During this time, the varying range of the daily average Dst index is -9～5 nT. The colors reveal the logarithm of the proton differential flux. The areaSAA represents the number of the 1°×1° squarearea units for the convenience of calculating.

利用五天滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口的方法，我們從2003年1月1日到2006年12月31日NOAA17衛(wèi)星觀測(cè)的>70 MeV質(zhì)子通量數(shù)據(jù)中獲取了異常區(qū)參數(shù).圖4顯示了maxSAA和areaSAA隨時(shí)間的變化.從圖4，我們可以看到異常區(qū)參數(shù)maxSAA和areaSAA在大磁暴期間有明顯的暴時(shí)響應(yīng).即兩個(gè)異常區(qū)參數(shù)在磁暴主相(Dst指數(shù)減小)迅速減小，而在磁暴恢復(fù)相隨著Dst指數(shù)的恢復(fù)而迅速恢復(fù).maxSAA的暴時(shí)響應(yīng)由于受到一種120天準(zhǔn)周期變化干擾而顯得不是很清晰，但在2003到2004幾次大的磁暴中其暴時(shí)變化還是比較明顯的.areaSAA在幾次大磁暴中有非常明顯的暴時(shí)變化，而且對(duì)幾次Dst值大于-100 nT的磁暴也比較敏感.

圖4　從2003年到2006年NOAA17衛(wèi)星觀測(cè)的>70 MeV質(zhì)子通量數(shù)據(jù)中獲得的異常區(qū)參數(shù)和日平均Dst指數(shù)隨時(shí)間變化 (a) maxSAA參數(shù); (b) areaSAA參數(shù); (c) 日均Dst指數(shù).為了減小數(shù)據(jù)覆蓋率不足導(dǎo)致的小尺度擾動(dòng)，我們對(duì)兩個(gè)異常區(qū)參數(shù)進(jìn)行了5點(diǎn)滑動(dòng)平均.maxSAA的單位為protons·cm-2·s-1·sr-1，areasSAA的單位是1°×1°面元的數(shù)量.圖中箭頭 指出了日均Dst指數(shù)小于-100 nT的大磁暴對(duì)應(yīng)的異常區(qū)參數(shù)的暴時(shí)效應(yīng).Fig.4　The temporal variation of the two SAA parameters using >70 MeV proton flux data observed by NOAA 17 and the temporal variation of the daily average Dst index from 2003 to 2006 (a) shows the temporal variation of maxSAA; (b) shows the temporal variation of areaSAA; (c) shows temporal the variation of daily average Dst index. To decrease small-scale disturbances generated by the insufficiency of data, we have used the 5 day running average method to the two SAA parameters. The maxSAA unit is protons·cm-2·s-1·sr-1 and the areaSAA unit is the number of the 1°×1° square area units. The arrows in the figure indicates the storm-time effect of theSAA parameters when daily Dst index is less than -100 nT during the great geomagnetic storms

根據(jù)我們以前的分析(Zou et al., 2015)，maxSAA隨時(shí)間變化中出現(xiàn)的120天準(zhǔn)周期變化主要由NOAA17衛(wèi)星軌道高度的周期變化引起.但是在areaSAA隨時(shí)間的變化中看不到類似的周期變化.NOAA17衛(wèi)星軌道高度的周期變化對(duì)兩個(gè)異常區(qū)參數(shù)影響不同的原因我們?cè)谝郧暗难芯恐幸策M(jìn)行了分析(Zou et al., 2015).造成這種差異的主要原因是高能質(zhì)子通量在異常區(qū)邊界和中心區(qū)域的分布特點(diǎn)不同.在異常區(qū)邊界，質(zhì)子通量的等值線是垂直分布的，而異常區(qū)中心區(qū)域質(zhì)子通量等值線是接近水平分布的.因此當(dāng)衛(wèi)星軌道高度發(fā)生波動(dòng)時(shí)，在異常區(qū)邊界高度變化對(duì)質(zhì)子通量的影響不大，而在異常區(qū)中心區(qū)卻相對(duì)較大.areaSAA是質(zhì)子通量超過(guò)某個(gè)閾值的面元數(shù)量，由于在異常區(qū)邊界質(zhì)子通量隨高度變化不大，因此areaSAA對(duì)衛(wèi)星軌道高度的變化也不大.另外，除了暴時(shí)短期和120天準(zhǔn)周期變化，從圖4中我們還可以看到兩個(gè)異常區(qū)參數(shù)基值從2003年到2006年有一個(gè)整體增加的長(zhǎng)期變化趨勢(shì).兩個(gè)異常區(qū)參數(shù)的長(zhǎng)期變化實(shí)際上反映了內(nèi)輻射帶質(zhì)子通量的太陽(yáng)周期變化，這與以前的研究結(jié)果是一致的(Miyoshi et al., 2000；Li et al., 2001；Qin et al., 2014).

為了了解不同能檔質(zhì)子通量的異常區(qū)參數(shù)的暴時(shí)響應(yīng)，我們將5天滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口方法應(yīng)用于NOAA17觀測(cè)的>35 MeV和>140 MeV質(zhì)子通量數(shù)據(jù).圖5比較了>35 MeV、>70 MeV和>140 MeV質(zhì)子的兩個(gè)異常區(qū)參數(shù)在2004年隨時(shí)間的變化.從圖5中我們可以看到3個(gè)能檔質(zhì)子的兩個(gè)異常區(qū)參數(shù)在2004年的兩次大磁暴中出現(xiàn)明顯的損失事件.根據(jù)定義，maxSAA是異常區(qū)范圍內(nèi)質(zhì)子通量的最大值也即內(nèi)輻射帶質(zhì)子通量最大值.根據(jù)內(nèi)輻射帶質(zhì)子通量隨L值的分布(Zou et al., 2011)，質(zhì)子通量最大值通常在內(nèi)輻射帶中心區(qū)域，L值范圍在1.3～1.4.而areaSAA是質(zhì)子通量超過(guò)閾值的面元數(shù)量，實(shí)際上反映的是異常區(qū)中高通量質(zhì)子通量分布的面積.在以前的研究中(Zou et al., 2011)，對(duì)于>35 MeV、>70 MeV和>140 MeV這3個(gè)能檔質(zhì)子的areaSAA參數(shù)，我們嘗試選擇不同的閾值通量(5，10，50和100 protons·cm-2·s-1·sr-1).發(fā)現(xiàn)用不同閾值通量獲得的areaSAA參數(shù)顯示了同樣的暴時(shí)響應(yīng)(見(jiàn)Zou et al., 2015中的圖8).這反映了靠近異常區(qū)中心區(qū)域(即內(nèi)輻射中心區(qū)域)的高通量質(zhì)子在大磁暴時(shí)出現(xiàn)的損失事件的特點(diǎn).

根據(jù)圖4和圖5，我們可以總結(jié)大磁暴時(shí)異常區(qū)中心區(qū)域(即內(nèi)輻射帶中心區(qū)域)的質(zhì)子通量損失事件的特點(diǎn)：(1)在大磁暴時(shí)，所有3個(gè)能檔質(zhì)子在內(nèi)輻射帶中心區(qū)域都會(huì)出現(xiàn)明顯的損失事件，即該損失事件與質(zhì)子能量無(wú)關(guān)；(2)內(nèi)輻射帶中心區(qū)域的質(zhì)子損失事件中，質(zhì)子通量迅速減小，然后迅速恢復(fù)(5天以內(nèi)).

比較在大磁暴期間內(nèi)輻射帶外邊界的質(zhì)子損失事件和南大西洋異常區(qū)中心區(qū)域的損失事件，我們發(fā)現(xiàn)這兩種事件具有不同的特點(diǎn)：內(nèi)輻射帶外邊界的質(zhì)子損失事件只出現(xiàn)在較低能檔質(zhì)子中，而異常區(qū)中心的損失事件在所有能檔質(zhì)子中均出現(xiàn)；兩種事件的暴時(shí)時(shí)間響應(yīng)不同，外邊界損失事件中質(zhì)子通量迅速下降然后緩慢恢復(fù)，而異常區(qū)中心損失事件中質(zhì)子通量迅速下降然后迅速恢復(fù).這兩種損失事件的差異意味著內(nèi)輻射帶不同區(qū)域存在不同的質(zhì)子產(chǎn)生(恢復(fù))和損失機(jī)制.在下一節(jié)中我們將詳細(xì)討論與這兩種損失事件有關(guān)的內(nèi)輻射帶質(zhì)子產(chǎn)生和損失機(jī)制.

4討論

4.1內(nèi)輻射帶外邊界質(zhì)子暴時(shí)損失和恢復(fù)機(jī)制

對(duì)于內(nèi)輻射帶外邊界質(zhì)子暴時(shí)損失事件，目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為其成因主要與地磁場(chǎng)在磁暴時(shí)出現(xiàn)的磁場(chǎng)曲率散射損失機(jī)制有關(guān)(Selesnick et al., 2010; Zou et al., 2011; Engel et al., 2015).在大磁暴發(fā)生時(shí)，地磁擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)線結(jié)構(gòu)的劇烈變化.部分磁場(chǎng)線被拉伸，導(dǎo)致靠近磁赤道的磁場(chǎng)曲率半徑變小.當(dāng)磁場(chǎng)曲率半徑減小到可以與被捕獲質(zhì)子回旋半徑相比較時(shí)，被捕獲質(zhì)子的第一絕熱不變量(μ)被破壞，導(dǎo)致質(zhì)子的失捕獲.因此，這一機(jī)制被稱為磁場(chǎng)線曲率散射或μ散射(Hudson et al., 1997; Young et al., 2008).Selesnick等(2010)利用暴時(shí)地磁場(chǎng)模型TS04c(Tsyganenko and Sitnov, 2005)模擬計(jì)算了在2000年4月6日的磁暴中由磁場(chǎng)曲率散射造成的內(nèi)輻射帶外邊界質(zhì)子的損失，并與HEO衛(wèi)星對(duì)同一事件的實(shí)際觀測(cè)進(jìn)行了比較.他們發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)曲率散射只能解釋HEO衛(wèi)星觀測(cè)的部分質(zhì)子損失.模擬獲得的出現(xiàn)質(zhì)子損失的最小L值比實(shí)測(cè)的大.另外在模擬的損失事件中，不同能檔質(zhì)子出現(xiàn)損失的最小L值不同，而HEO衛(wèi)星觀測(cè)的損失事件的最小L值幾乎不隨質(zhì)子能量變化.Zou等(Zou et al., 2011)利用輻射帶模型AP8和暴時(shí)地磁場(chǎng)模型TS04c對(duì)NOAA衛(wèi)星在2004年11月9日的大磁暴中觀測(cè)到的內(nèi)輻射帶外邊界質(zhì)子事件進(jìn)行了模擬計(jì)算.模擬結(jié)果表明磁場(chǎng)曲率散射機(jī)制會(huì)造成35～70 MeV和70～140 MeV兩個(gè)較低能檔質(zhì)子在內(nèi)輻射帶外邊界的通量損失，而140～500 MeV質(zhì)子通量在內(nèi)輻射帶外邊界沒(méi)有明顯下降，這與NOAA17衛(wèi)星的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果基本一致.但是實(shí)測(cè)的35～70 MeV低能檔質(zhì)子的暴時(shí)損失比模擬結(jié)果大，這與Selesnick等對(duì)HEO衛(wèi)星觀測(cè)的三個(gè)低能檔質(zhì)子(8.5～35 MeV, 16～40 MeV和27～45 MeV)的模擬結(jié)果類似.最近，Engel等(2015)利用測(cè)試粒子方法模擬了2000年4月6日磁暴中內(nèi)輻射帶質(zhì)子的磁場(chǎng)曲率散射過(guò)程，并在模擬過(guò)程中增加了由變化磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng).模擬結(jié)果表明，感應(yīng)電場(chǎng)項(xiàng)的引入可以增加內(nèi)輻射帶外邊界的質(zhì)子損失，使模擬的磁場(chǎng)曲率散射損失更接近HEO衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果.

從圖1和圖2我們可以看到，在大磁暴發(fā)生時(shí)，NOAA17衛(wèi)星觀測(cè)的兩個(gè)較低能檔(>35 MeV和>70 MeV)質(zhì)子通量迅速減小后，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)緩慢恢復(fù)的過(guò)程.根據(jù)HEO衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果，2003年10月的Halloween事件后，內(nèi)輻射帶外邊界質(zhì)子通量的恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)月(Selesnick et al., 2010).而根據(jù)圖2中上面兩個(gè)小圖所示，NOAA17衛(wèi)星觀測(cè)的兩個(gè)低能檔質(zhì)子通量在Halloween事件中損失后，開始緩慢恢復(fù).但質(zhì)子通量還未恢復(fù)到暴前水平時(shí)，2004年后的幾次磁暴使內(nèi)輻射帶外邊界的質(zhì)子通量再次損失，直到2006年才完全恢復(fù)到暴前通量水平.大磁暴后內(nèi)輻射帶外邊界質(zhì)子通量損失事件后的恢復(fù)過(guò)程實(shí)際上與內(nèi)輻射帶質(zhì)子產(chǎn)生機(jī)制有關(guān).

已知內(nèi)輻射帶質(zhì)子的主要來(lái)源包括宇宙射線反照中子衰變(CRAND)(Albert et al., 1998)和被捕獲的太陽(yáng)質(zhì)子(Selesnick et al., 2007, 2010, 2014).CRAND被認(rèn)為是內(nèi)輻射帶高能(>30 MeV)質(zhì)子和其他內(nèi)輻射帶中下層(L<1.7)質(zhì)子的主要來(lái)源(Singer, 1958; Stephen, 1973; Jentsch, 1981; Selesnick et al., 2007, 2010, 2013, 2014).近期Mazur等(2013)通過(guò)Van Allen Probe衛(wèi)星的相對(duì)論質(zhì)子譜儀(RPS)發(fā)現(xiàn)在內(nèi)輻射帶中包含極高能量的質(zhì)子、重離子和反物質(zhì)成分，這些成分只可能來(lái)源于宇宙射線的自電離或宇宙射線與大氣原子核子的碰撞，所以內(nèi)輻射帶高能質(zhì)子應(yīng)主要來(lái)源于宇宙射線.宇宙射線和地球上層大氣成分(如N或O核子)發(fā)生碰撞以后，通過(guò)裂變產(chǎn)生中子.它們通過(guò)β衰變產(chǎn)生質(zhì)子，然后其中一部分質(zhì)子會(huì)被地磁場(chǎng)所捕獲，而另一部分則沉降到大氣層中損失掉(Mazur et al., 2013).大量觀測(cè)結(jié)果表明在大太陽(yáng)質(zhì)子事件或磁暴期間，太陽(yáng)高能質(zhì)子可以注入到L>2的內(nèi)輻射帶區(qū)域(Lorentzen et al., 2002; Hudson et al., 2004; Mazur et al., 2006)，因此被捕獲的太陽(yáng)質(zhì)子也是內(nèi)輻射帶外邊界質(zhì)子的另一種來(lái)源(Selesnick et al., 2007, 2010, 2013, 2014).

為了了解內(nèi)輻射帶外邊界質(zhì)子損失事件的恢復(fù)機(jī)制，Selesnick等(2013)對(duì)2003年11月大磁暴期間HEO衛(wèi)星觀測(cè)的27～45 MeV質(zhì)子在內(nèi)輻射帶外邊界出現(xiàn)的損失事件的恢復(fù)過(guò)程進(jìn)行了蒙特卡洛模擬.在模擬過(guò)程中，Selesnick等考慮了兩種情況.一種情況是在內(nèi)輻射帶外邊界被磁暴“清空”的情況下，只考慮不同L值處地球大氣分層與宇宙線相互作用，由CRAND機(jī)制產(chǎn)生的局地被捕獲質(zhì)子源隨時(shí)間的累計(jì)過(guò)程；而另一種情況是在第一種情況的基礎(chǔ)上，加上內(nèi)輻射帶中心背景質(zhì)子通量模型并考慮徑向擴(kuò)散和被捕獲太陽(yáng)質(zhì)子等復(fù)雜物理過(guò)程的情況.模擬結(jié)果表明，在內(nèi)輻射帶外邊界的主要區(qū)域(2.4

根據(jù)以上分析，我們可以認(rèn)為在大磁暴時(shí)在內(nèi)輻射帶外邊界發(fā)生的質(zhì)子通量損失事件中質(zhì)子通量的突然減小主要由地磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的磁場(chǎng)曲率散射機(jī)制導(dǎo)致，且磁場(chǎng)曲率散射機(jī)制能解釋不同能檔質(zhì)子的暴時(shí)響應(yīng)的差異；而隨后質(zhì)子通量的緩慢恢復(fù)則體現(xiàn)了內(nèi)輻射帶外邊界被磁暴清空后，CRAND機(jī)制產(chǎn)生的被捕獲質(zhì)子通量隨時(shí)間的累計(jì)過(guò)程.

4.2南大西洋異常區(qū)中心區(qū)域質(zhì)子暴時(shí)損失和恢復(fù)機(jī)制

根據(jù)圖4和圖5所示，在大磁暴期間異常區(qū)中心區(qū)域出現(xiàn)的質(zhì)子損失事件的特點(diǎn)是質(zhì)子通量的迅速減小和迅速恢復(fù)，且這種特點(diǎn)體現(xiàn)在NOAA17衛(wèi)星的所有三個(gè)能檔質(zhì)子觀測(cè)中，這與發(fā)生在內(nèi)輻射帶外邊界的質(zhì)子損失事件的特點(diǎn)存在差異.異常區(qū)中心區(qū)域一般可以認(rèn)為是內(nèi)輻射帶中心區(qū)域，這意味著內(nèi)輻射帶中心區(qū)域的質(zhì)子存在不同的暴時(shí)損失和恢復(fù)機(jī)制.與小L值處的地磁場(chǎng)相比，大L值處的地磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)在大磁暴中更容易出現(xiàn)形變，進(jìn)而導(dǎo)致磁場(chǎng)曲率散射.因此磁場(chǎng)曲率散射機(jī)制一般發(fā)生在內(nèi)輻射帶外邊界.而異常區(qū)內(nèi)質(zhì)子最大通量，即maxSAA，一般出現(xiàn)在內(nèi)輻射帶L<1.5的中性區(qū)域.因此，內(nèi)輻射帶中心區(qū)域的質(zhì)子損失事件不可能由磁場(chǎng)曲率散射機(jī)制造成.

從4.1節(jié)的分析可知，內(nèi)輻射帶中心區(qū)域被捕獲質(zhì)子的來(lái)源主要是CRAND.在大磁暴期間，由于行星際磁場(chǎng)變強(qiáng)會(huì)造成宇宙線通量的減小.這種現(xiàn)象被稱為Forbush效應(yīng)(Lockwood et al., 1971).內(nèi)輻射帶中心區(qū)域的質(zhì)子暴時(shí)損失事件是否可能由于宇宙線的Forbush效應(yīng)造成呢？實(shí)際上如果不考慮磁暴效應(yīng)，內(nèi)輻射帶質(zhì)子通量通常被認(rèn)為是非常穩(wěn)定的.這意味著CRAND機(jī)制產(chǎn)生質(zhì)子的速度與內(nèi)輻射帶質(zhì)子損失的速度是接近的.而在地磁平均期，內(nèi)輻射帶被捕獲質(zhì)子的損失主要與被捕獲質(zhì)子與大氣層、電離層以及磁層的粒子發(fā)生電荷交換和庫(kù)侖碰撞損失和質(zhì)子徑向擴(kuò)散有關(guān)，而這些損失的時(shí)間尺度都是年量級(jí)的(Selesnick et al., 2007, 2010).因此CRAND機(jī)制產(chǎn)生質(zhì)子的速度是很慢的，這一點(diǎn)從內(nèi)輻射帶外邊界質(zhì)子損失事件的長(zhǎng)恢復(fù)時(shí)間可以體現(xiàn)出來(lái).因此在大磁暴期間，宇宙線的Forbush效應(yīng)實(shí)際上是不可能影響到內(nèi)輻射帶質(zhì)子暴時(shí)通量的.

Looper等(2005)還提出過(guò)另一種暴時(shí)內(nèi)輻射帶質(zhì)子損失機(jī)制，即磁暴導(dǎo)致增強(qiáng)的大氣密度可影響內(nèi)輻射帶質(zhì)子通量.由于太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)及沉降粒子對(duì)地球中高層大氣的加熱，中高層大氣密度有可能在磁暴期間增大.而增加的大氣密度會(huì)提高內(nèi)輻射帶質(zhì)子與大氣層粒子相互作用的幾率，從而使質(zhì)子損失率增加.為了評(píng)估中性大氣密度對(duì)高能質(zhì)子損失造成的影響，我們考察了CHAMP衛(wèi)星在2004年觀測(cè)的中性大氣密度.圖6顯示了基于CHAMP衛(wèi)星在異常區(qū)范圍的觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得的400 km高度中性大氣密度日平均值和Dst指數(shù)隨時(shí)間的變化.可見(jiàn)，中性大氣密度與Dst指數(shù)具有很好的相關(guān)性.在磁暴主相，隨著Dst指數(shù)減小，中性大氣密度可以增加數(shù)倍.在磁暴恢復(fù)相，隨著Dst指數(shù)增加，中性大氣密度也會(huì)迅速減小.這與圖4和圖5顯示的異常區(qū)參數(shù)的暴時(shí)響應(yīng)非常相似.因此，磁暴導(dǎo)致中高層大氣密度增加這一機(jī)制可用于解釋內(nèi)輻射帶中心區(qū)域質(zhì)子的暴時(shí)損失.但是，內(nèi)輻射帶質(zhì)子通量在磁暴恢復(fù)相的迅速恢復(fù)很難用現(xiàn)有的輻射帶質(zhì)子產(chǎn)生機(jī)制解釋.

從圖4和圖5可見(jiàn)，內(nèi)輻射帶中心質(zhì)子最大通量，maxSAA，在磁暴恢復(fù)相會(huì)迅速恢復(fù)(1～2天).而內(nèi)輻射帶中心區(qū)域質(zhì)子的主要產(chǎn)生機(jī)制是CRAND.但根據(jù)上面的分析，CRAND機(jī)制產(chǎn)生質(zhì)子的速度很慢，很難用于解釋maxSAA在磁暴恢復(fù)相的迅速恢復(fù).

還有一種機(jī)制可以影響暴時(shí)輻射帶粒子通量隨時(shí)間的變化，這就是Dst效應(yīng).利用位于地球同步軌道的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL, Los Alamos National Laboratory)衛(wèi)星的帶電粒子分析儀(CPA, Charged Particle Analyzer)的觀測(cè)結(jié)果，Kim和Chan(1997)發(fā)現(xiàn)在1993年11月的磁暴過(guò)程中，外輻射帶電子通量出現(xiàn)一個(gè)與Dst指數(shù)類似的時(shí)間響應(yīng)(即在磁暴主相電子通量迅速下降，而在磁暴恢復(fù)相電子通量迅速增加).他們認(rèn)為在地球同步軌道觀測(cè)到的高能電子通量變化可以用輻射帶被捕獲電子對(duì)磁暴時(shí)地磁場(chǎng)變化引發(fā)的全絕熱響應(yīng)來(lái)解釋，即所謂的Dst效應(yīng).輻射帶電子通量絕熱變化是指在電子通量變化過(guò)程中，電子處于被捕獲狀態(tài)且其三個(gè)絕熱不變量在變化過(guò)程中守恒.實(shí)際上，在磁暴主相環(huán)電流強(qiáng)度的持續(xù)增加會(huì)造成內(nèi)磁層磁場(chǎng)強(qiáng)度的減小以及被捕獲粒子漂移軌道所圍面積內(nèi)的磁通量減小.若磁場(chǎng)變化的時(shí)間尺度遠(yuǎn)大于粒子的漂移周期，則被捕獲粒子將改變其漂移路徑并保持三個(gè)絕熱不變量守恒.被捕獲粒子為了保持磁通(第三絕熱不變量)守恒，則其漂移軌道需要向外移動(dòng)到對(duì)應(yīng)L值更大的漂移殼.而地磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離磁軸的中心距離增加而迅速衰減，因此在L值更大的漂移殼，地磁場(chǎng)強(qiáng)度降低.為了保持磁矩(第一絕熱不變量)守恒，被捕獲粒子的動(dòng)能將減小.因此，在磁暴主相，為了保持絕熱不變量守恒，被捕獲電子漂移殼的外擴(kuò)和能量的減小造成了觀測(cè)到的高能電子通量的減小.而在磁暴恢復(fù)相，由于地磁場(chǎng)擾動(dòng)源的逐漸減弱，內(nèi)磁層磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸恢復(fù).同樣為了保持磁通和磁矩守恒，被捕獲質(zhì)子會(huì)向小L值的漂移殼上移動(dòng)同時(shí)能量增加，這導(dǎo)致了高能電子通量的恢復(fù).由于一些非絕熱加速機(jī)制(如波動(dòng)加速)，在磁暴恢復(fù)相高能電子通量往往可以增加到遠(yuǎn)高于暴前的水平(Kim and Chan, 1997).

由上面描述可見(jiàn)，Dst效應(yīng)造成的外輻射帶電子通量隨時(shí)間變化的特點(diǎn)是在磁暴主相電子通量迅速減小，在磁暴恢復(fù)相電子通量迅速恢復(fù)(1～2天).這樣的暴時(shí)時(shí)間響應(yīng)與我們獲得的內(nèi)輻射帶(異常區(qū))中心區(qū)域質(zhì)子損失事件的暴時(shí)時(shí)間響應(yīng)非常相似.那么Dst效應(yīng)是否可以用于解釋內(nèi)輻射帶中心區(qū)域質(zhì)子損失事件呢？輻射帶被捕獲粒子保持三個(gè)絕熱不變量守恒的判斷條件是磁暴時(shí)磁場(chǎng)變化的時(shí)間尺度遠(yuǎn)大于被捕獲粒子的漂移周期.根據(jù)Kim和Chan的研究(1997)，在地球同步軌道處1 MeV能量電子是滿足這一要求的.根據(jù)經(jīng)典的單粒子軌道理論(涂傳詒等，1988)，在地球同步軌道(L=6.6)處能量為1 MeV的被捕獲電子的漂移周期為5.931×102s.而對(duì)于動(dòng)能遠(yuǎn)小于m0C2的捕獲質(zhì)子，其在赤道內(nèi)的漂移周期可表示為

(1)

其中m0為質(zhì)子靜止質(zhì)量，C為光速，Td為漂移周期(單位為min)，L為所在漂移殼對(duì)應(yīng)的L值，EK為質(zhì)子垂直于磁場(chǎng)的動(dòng)能(單位為MeV).根據(jù)(1)式，NOAA17觀測(cè)的最小能量質(zhì)子，35 MeV質(zhì)子在內(nèi)輻射帶中心(L=1.5)的漂移周期約為0.84 min，即約50 s.而且隨著質(zhì)子通量的增加，其漂移周期會(huì)進(jìn)一步減小.從上面的計(jì)數(shù)結(jié)果，內(nèi)輻射帶被捕獲>35 MeV質(zhì)子可以滿足絕熱變化條件，即在磁暴過(guò)程中在內(nèi)輻射帶中心被捕獲的>35 MeV質(zhì)子可以保持三個(gè)絕熱不變量守恒.因此Dst效應(yīng)同樣適用于內(nèi)輻射帶被捕獲質(zhì)子.對(duì)于能量更高(如>70 MeV和>140 MeV)的質(zhì)子,其漂移周期更短，同樣滿足絕熱變化條件，因此也會(huì)出現(xiàn)Dst效應(yīng).

綜上所述，在磁暴時(shí)，Dst效應(yīng)會(huì)造成外輻射帶電子通量的迅速下降和迅速恢復(fù).這種暴時(shí)響應(yīng)與我們?cè)趦?nèi)輻射帶中心獲得的質(zhì)子通量的暴時(shí)響應(yīng)相似.而內(nèi)輻射帶被捕獲質(zhì)子滿足產(chǎn)生Dst效應(yīng)的條件(在暴時(shí)可以保持三個(gè)絕熱不變量守恒).Engel等(2015)也指出Dst效應(yīng)可能導(dǎo)致內(nèi)輻射帶質(zhì)子的恢復(fù).因此我們認(rèn)為造成內(nèi)輻射帶中心區(qū)域質(zhì)子通量在磁暴主相迅速下降，在磁暴恢復(fù)相迅速恢復(fù)的主要因素是內(nèi)輻射帶被捕獲質(zhì)子對(duì)暴時(shí)內(nèi)磁層磁場(chǎng)變化的絕熱響應(yīng)，即Dst效應(yīng).

5總結(jié)

我們利用NOAA-POES衛(wèi)星對(duì)內(nèi)輻射帶高能質(zhì)子的觀測(cè)結(jié)果研究了大磁暴發(fā)生后內(nèi)輻射帶外邊界和中心區(qū)域質(zhì)子通量的變化過(guò)程.在發(fā)生大磁暴時(shí)，被捕獲質(zhì)子在內(nèi)輻射帶外邊界和內(nèi)輻射帶中心區(qū)域出現(xiàn)兩種不同的損失事件.在大磁暴發(fā)生時(shí)，內(nèi)輻射帶外邊界質(zhì)子通量會(huì)迅速減小，然后緩慢恢復(fù)，其恢復(fù)時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)1年，且這種損失事件一般只存在于較低能檔(>35 MeV和>70 MeV)質(zhì)子的內(nèi)輻射帶外邊界分布中，而在高能檔(>140 MeV)質(zhì)子的分布中幾乎看不到損失事件；在內(nèi)輻射帶中心區(qū)的質(zhì)子通量(即南大西洋異常區(qū)質(zhì)子通量最大值)損失事件的特點(diǎn)不同于內(nèi)輻射帶外邊界質(zhì)子損失事件，其暴時(shí)變化表現(xiàn)為質(zhì)子通量的一個(gè)迅速的減小和迅速恢復(fù)(1～2天)，且內(nèi)輻射帶中心的質(zhì)子損失事件在所有能檔質(zhì)子通量中都明顯存在.兩種損失事件中質(zhì)子通量的不同變化意味著內(nèi)輻射帶質(zhì)子可能有不同的損失和產(chǎn)生機(jī)制.通過(guò)分析，我們認(rèn)為造成內(nèi)輻射帶外邊界質(zhì)子損失事件中質(zhì)子通量迅速減小的主要原因是暴時(shí)地磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致磁場(chǎng)曲率散射機(jī)制，而其后質(zhì)子通量的緩慢恢復(fù)主要是由CRAND機(jī)制產(chǎn)生的質(zhì)子對(duì)內(nèi)輻射帶外邊界的補(bǔ)充；而在內(nèi)輻射帶中心區(qū)域的質(zhì)子損失事件中，質(zhì)子通量的迅速減小和迅速恢復(fù)則很可能與內(nèi)輻射帶被捕獲質(zhì)子對(duì)暴時(shí)內(nèi)磁層磁場(chǎng)變化的絕熱響應(yīng)(即Dst效應(yīng))有關(guān).

致謝我們感謝NOAA空間天氣預(yù)報(bào)中心提供NOAA衛(wèi)星MEPED儀器數(shù)據(jù)，同時(shí)感謝NGDC提供的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)以及E. K. Sutton提供CHAMP衛(wèi)星數(shù)據(jù).

圖5　2004年NOAA17衛(wèi)星觀測(cè)的>35 MeV、>70 MeV和>140 MeV質(zhì)子的兩個(gè)異常區(qū)參數(shù)隨時(shí)間的變化(引自Zou et al., 2015的圖7) (a) 列為maxSAA參數(shù); (b) 列為areaSAA參數(shù).上圖為>35 MeV質(zhì)子的異常區(qū)參數(shù)，中圖為>70 MeV質(zhì)子的異常區(qū)參數(shù)，下圖為>140 MeV質(zhì)子的異常區(qū)參數(shù).maxSAA的單位為protons·cm-2·s-1·sr-1，areasSAA的單位是1°×1°面元的數(shù)量.對(duì)三個(gè)質(zhì)子能檔，獲得areaSAA所需設(shè)定的閾值通量同為10protons·cm-2·s-1·sr-1.Fig.5　Temporal variations of the two SAA parameters for three proton channels observed by NOAA 17 in 2004(sited by Fig.7 in Zou et al., 2015) (a) The temporal variations of maxSAA; (b) The temporal variations of areaSAA. The top, middle and bottom figure respectively shows the temporal variations of the two SAA parameters for >35 MeV, >70 MeV and >140 MeV protons. The maxSAA unit is protons·cm-2·s-1·sr-1, the areaSAA unit is the number of the 1°×1° square area units. For three proton channels, we set the same threshold 10protons·cm-2·s-1·sr-1 to acquire the value of areaSAA

圖6　2004年CHAMP衛(wèi)星在異常區(qū)范圍觀測(cè)到的中性大氣密度歸一化到400 km高度的中性大氣密度的日平均值(a)與Dst指數(shù)(b)隨時(shí)間的變化.中性大氣密度的單位是kg·m-3，Dst指數(shù)的單位為nT. 選擇的異常區(qū)范圍為經(jīng)度范圍：-90°～0°，緯度范圍：-40°～10°Fig.6　The temporal variation of daily average value of the neutral atmosphere density normalized to 400 km altitude observed by CHAMP in the SAA and the temporal variation of the Dst index in 2004. The unit of the neutral atmosphere density is kg·m-3 and the unit of the Dst index is nT. The selective geographical range of SAA is longitude -90°～0° and latitude -40°～10°.

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附中文參考文獻(xiàn)

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(本文編輯胡素芳)

基金項(xiàng)目國(guó)家自然科學(xué)基金(41374167)資助.

作者簡(jiǎn)介陳洋，男，1991年生，碩士生，研究方向?yàn)閮?nèi)輻射帶質(zhì)子變化特性. E-mail:1301210279@pku.edu.cn *通訊作者鄒鴻，男，1975年生，副教授，主要從事行星科學(xué)、磁層物理和空間探測(cè)研究. E-mail: hongzou@pku.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160702 中圖分類號(hào)P352

收稿日期2016-01-14，2016-05-12收修定稿

Study on the loss and recovery mechanisms of high-energy protons in the inner radiation belt during geomagnetic storms

CHEN Yang, ZOU Hong*, CHEN Hong-Fei, YU Xiang-Qian, SHI Wei-Hong

InstituteofSpacePhysicsandAppliedTechnology,PekingUniversity,Beijing100871,China

AbstractIn this paper, the NOAA17 observation of the protons in the inner radiation belt is used to investigate the variation of the proton flux in the inner radiation belt during geomagnetic storms. It is found that during great storms the protons trapped in the inner belt show two different kinds of loss events in storm time. The proton flux near the outer boundary of the inner belt decreases rapidly and then recovers slowly. The proton flux at the center of the inner belt (or the maximal proton flux in the Southern Atlantic Anomaly (SAA) ) shows a quick decrease and a quick recovery. The loss event near the outer boundary mainly exists in the lower energy proton observations, while that near the center of the inner belt appears in all energy channels. The different storm responses of the two loss events imply different loss and recovery mechanisms for the inner belt protons. Through the analysis, we believe that the loss of the proton flux near the outer boundary of the inner belt be caused by the field line curvature scattering and the slowly recovery shows the accumulation of the protons generated by Cosmic Ray Albedo Neutron Decay (CRAND) and the loss event near the center of the inner belt can be accounted for the Dst effect.

KeywordsSouth Atlantic anomaly; Inner radiation belt proton; Geomagnetic storms; Loss events near the outer boundary of inner belt; Loss events near the center of inner belt; Recovery mechanism

陳洋，鄒鴻，陳鴻飛等. 2016. 暴時(shí)內(nèi)輻射帶高能質(zhì)子的損失和恢復(fù)機(jī)制探究. 地球物理學(xué)報(bào)，59(7):2344-2355,doi:10.6038/cjg20160702.

Chen Y, Zou H, Chen H F, et al. 2016. Study on the loss and recovery mechanisms of high-energy protons in the inner radiation belt during geomagnetic storms. Chinese J. Geophys. (in Chinese),59(7):2344-2355,doi:10.6038/cjg20160702.