王春琴， 孫越強(qiáng)， 張坤毅, 荊濤， 張煥星， 李嘉巍， 張效信， 韋飛， 沈國(guó)紅， 黃聰， 梁金寶, 史春燕

1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心, 北京 100190 2 天基空間環(huán)境探測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190 >3 國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心, 北京 100081

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FY2G衛(wèi)星新一代高能帶電粒子探測(cè)器觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

王春琴1,2*， 孫越強(qiáng)1,2， 張坤毅1,2, 荊濤1,2， 張煥星1,2， 李嘉巍3， 張效信3， 韋飛1,2， 沈國(guó)紅1,2， 黃聰3， 梁金寶1,2, 史春燕1,2

1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心, 北京 100190 2 天基空間環(huán)境探測(cè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190 >3 國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心, 北京 100081

風(fēng)云二號(hào)系列衛(wèi)星是我國(guó)開(kāi)展動(dòng)態(tài)空間天氣事件和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)及預(yù)警業(yè)務(wù)的重要觀測(cè)平臺(tái)，各系列星上均安裝有高能帶電粒子探測(cè)儀器開(kāi)展衛(wèi)星軌道空間帶電粒子輻射環(huán)境連續(xù)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).FY2G衛(wèi)星于2015年1月發(fā)射，星上采用了全新的高能粒子探測(cè)器，包括：一臺(tái)高能電子探測(cè)器可監(jiān)測(cè)200 keV->4 MeV的高能電子，一臺(tái)高能質(zhì)子重離子探測(cè)器可監(jiān)測(cè)4～300 MeV的高能質(zhì)子，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電粒子更寬、更精細(xì)能譜的監(jiān)測(cè).本文給出了FY2G高能帶電粒子探測(cè)器在2015年1月至2015年10月期間幾起典型的帶電粒子動(dòng)態(tài)觀測(cè)結(jié)果，結(jié)合太陽(yáng)和地磁活動(dòng)相關(guān)參數(shù)，對(duì)高能帶電粒子通量在亞暴、磁暴和太陽(yáng)爆發(fā)等擾動(dòng)影響下細(xì)節(jié)變化過(guò)程和特征作出了較為詳細(xì)的分析描述，展現(xiàn)了FY2G衛(wèi)星高能帶電粒子探測(cè)器對(duì)軌道空間粒子環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的準(zhǔn)確響應(yīng)能力，表明觀測(cè)數(shù)據(jù)可開(kāi)展更加精細(xì)的軌道粒子環(huán)境評(píng)估.針對(duì)FY2G高能帶電粒子探測(cè)結(jié)果進(jìn)一步開(kāi)展了與GOES系列衛(wèi)星同期觀測(cè)的比對(duì)分析，結(jié)果反映出在較小的擾動(dòng)條件下多星觀測(cè)到的帶電粒子響應(yīng)和通量變化可基本趨于一致或保持相對(duì)穩(wěn)定的偏差，而擾動(dòng)條件的顯著變化會(huì)加大多星觀測(cè)帶電粒子響應(yīng)和通量變化的差異，這些結(jié)果可為今后開(kāi)展多星數(shù)據(jù)同化應(yīng)用提供參考，也為發(fā)展磁層對(duì)擾動(dòng)響應(yīng)的更加復(fù)雜的圖像提供了新的可能.

FY2G衛(wèi)星； 高能電子； 高能質(zhì)子； 地球同步軌道

1 引言

高能帶電粒子環(huán)境是地球同步軌道衛(wèi)星遭遇到的重要空間輻射環(huán)境，主要來(lái)源包括輻射帶高能電子和太陽(yáng)高能帶電粒子.高能帶電粒子在地球同步軌道空間受太陽(yáng)活動(dòng)、地磁活動(dòng)的影響顯著，表現(xiàn)出頻繁劇烈的動(dòng)態(tài)變化(Baker,Pulkkinen et al., 1998；Blake et al.,1992；Denton et al.,2006；Li et al.,1999；Reeves et al.,2003).擾動(dòng)導(dǎo)致的帶電粒子注入增強(qiáng)是引發(fā)航天活動(dòng)異常出現(xiàn)的重要環(huán)境現(xiàn)象，如在地磁活躍期間，高能電子通量在幾小時(shí)到幾天的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)好幾個(gè)量級(jí)的增強(qiáng)變化，可能會(huì)穿透衛(wèi)星屏蔽導(dǎo)致深層充電出現(xiàn)，而在長(zhǎng)時(shí)間高通量后還可能會(huì)產(chǎn)生放電損害(Baker et al.,1986)；相對(duì)偶發(fā)的太陽(yáng)爆發(fā)性活動(dòng)會(huì)使得軌道區(qū)域出現(xiàn)大量高能質(zhì)子，這些高能質(zhì)子可能會(huì)通過(guò)輻射劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)等對(duì)航天飛行任務(wù)以及衛(wèi)星上搭載的敏感元器件造成損害(Baker et al.,1987).衛(wèi)星出現(xiàn)異常與粒子輻射關(guān)系的統(tǒng)計(jì)研究表明對(duì)于地球同步軌道而言，>10 MeV的高能質(zhì)子和>2MeV高能電子的持續(xù)顯著增強(qiáng)是造成該區(qū)域衛(wèi)星異常的重要因素(Baker, Allen et al.,1998；Lucci et al.,2005).因此，地球同步軌道區(qū)域高能帶電粒子的監(jiān)測(cè)對(duì)于保障航天器的在軌正常運(yùn)行尤為重要.國(guó)際上，GOES系列衛(wèi)星自1986年以來(lái)一直在持續(xù)開(kāi)展地球同步軌道的高能帶電粒子的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).風(fēng)云二號(hào)系列衛(wèi)星是我國(guó)唯一持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)展高能帶電粒子探測(cè)的地球同步軌道系列衛(wèi)星，也是目前除GOES系列衛(wèi)星以外在該軌道高度持續(xù)開(kāi)展空間環(huán)境監(jiān)測(cè)的系列衛(wèi)星.

風(fēng)云二號(hào)系列衛(wèi)星早期利用一臺(tái)探測(cè)儀器已成功開(kāi)展了軌道空間10～30 MeV、30～100 MeV和100～300 MeV的高能質(zhì)子和>350 keV、>2 MeV的高能電子的探測(cè)，這些探測(cè)結(jié)果已很好應(yīng)用在了我國(guó)空間環(huán)境保障業(yè)務(wù)以及相關(guān)的科學(xué)研究工作中(Lin et al., 2000; Zhao et al.,2003；Wei et al.,2014).FY2G衛(wèi)星星上新一代能量粒子探測(cè)儀器由高能電子探測(cè)器和高能質(zhì)子探測(cè)器兩臺(tái)單機(jī)組成.新的探測(cè)儀器拓寬了對(duì)帶電粒子的能譜觀測(cè)、能道劃分也更為精細(xì)，其中高能電子探測(cè)低能端擴(kuò)展到200 keV，高能段在>2 MeV的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了2個(gè)能段，分別為>3 MeV和>4 MeV;高能質(zhì)子則在較低能端延伸到4 MeV.本文給出了FY2G衛(wèi)星新一代高能粒子探測(cè)器在軌期間初步獲得的典型觀測(cè)結(jié)果，詳細(xì)描述了帶電粒子的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程和變化特征，并對(duì)探測(cè)結(jié)果開(kāi)展了深入的多星聯(lián)合觀測(cè)比對(duì)分析.當(dāng)下識(shí)別帶電粒子出現(xiàn)的過(guò)程、區(qū)域和時(shí)間作為開(kāi)展科學(xué)研究的主要課題，這些觀測(cè)結(jié)果的獲得將有助于進(jìn)一步揭示帶電粒子動(dòng)態(tài)變化，更全面地反映粒子的加速、傳播和損失等物理過(guò)程，從而更好地服務(wù)于空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù).

2 儀器和數(shù)據(jù)

高能質(zhì)子重離子探測(cè)器采用由5片半導(dǎo)體傳感器組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)進(jìn)行粒子能譜探測(cè).高能電子探測(cè)器使用2組望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)分別用于測(cè)量0.2～1.5 MeV的電子和大于1.5 MeV的電子.高能質(zhì)子重離子探測(cè)器和高能電子0.2～1.5 MeV探測(cè)器在準(zhǔn)直器前端入射窗口處設(shè)置了一塊偏轉(zhuǎn)低能電子的磁鐵，用于屏蔽流量較大的低能電子入射對(duì)傳感器造成干擾，提高了儀器抗背景輻射的能力，儀器相關(guān)指標(biāo)見(jiàn)表1.

探測(cè)儀器進(jìn)行了系統(tǒng)的地面定標(biāo)，以確保探測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，主要定標(biāo)內(nèi)容包括探測(cè)器能檔定標(biāo)(能檔范圍和能檔測(cè)量精度定標(biāo))、粒子鑒別驗(yàn)證試驗(yàn)、計(jì)數(shù)定標(biāo)試驗(yàn)、傳感器特性及張角測(cè)試、磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)能力測(cè)試等.FY2G衛(wèi)星高能粒子各探測(cè)儀器的幾何因子計(jì)算做了改進(jìn)，舊有的幾何因子數(shù)值計(jì)算主要基于簡(jiǎn)單的儀器結(jié)構(gòu)(圓柱或圓臺(tái))展開(kāi)幾何運(yùn)算，且不考慮帶電粒子在傳感其中的具體物理過(guò)程以及干擾因素的影響等.FY2G高能粒子探測(cè)器使用蒙卡模擬的方法 (Zhang et al.,2014)，考慮粒子與物質(zhì)相互作用過(guò)程中的能損漲落、彈性散射、分辨率等諸多過(guò)程，同時(shí)考慮了斜入射和穿越粒子的干擾，更加準(zhǔn)確的評(píng)估出各傳感器的響應(yīng)，這對(duì)于準(zhǔn)確的帶電粒子定量預(yù)報(bào)很重要(Horne et al.,2013).

表1 儀器有關(guān)指標(biāo)Table 1 Performance of particle instruments on FY2G

注：FY2G為高速自旋衛(wèi)星，儀器安裝在衛(wèi)星的腰帶部分，觀測(cè)粒子為近全向通量平均值的時(shí)空分布.

3 典型觀測(cè)現(xiàn)象

3.1 高能電子和亞暴

圖1自上而下分別給出FY2G衛(wèi)星觀測(cè)到的高能電子各道通量(200～300 keV、400～500 keV、600～800 keV、1000～1500 keV、>2 MeV、>3 MeV和>4 MeV)在2015年1月23日至2月2日期間隨地方時(shí)演化,相應(yīng)的亞暴AE指數(shù)和磁暴Dst指數(shù)變化.圖中可以看出高能電子各道通量均表現(xiàn)出明顯的晝夜變化特征，在接近地方時(shí)正午通量最強(qiáng)，而在地方時(shí)午夜附近通量最弱.這一特征主要由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道空間的地磁場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)所導(dǎo)致，在向日側(cè)地磁場(chǎng)被壓縮呈現(xiàn)類(lèi)似偶極結(jié)構(gòu)，而在午夜則被拉伸呈現(xiàn)長(zhǎng)長(zhǎng)的拖尾狀結(jié)構(gòu)，這使得赤道捕獲粒子漂移徑跡相對(duì)于在偶極場(chǎng)中的漂移徑跡而言，在日側(cè)向外移動(dòng)，在夜側(cè)則向內(nèi)移動(dòng)，而帶電粒子通量具有典型的強(qiáng)的向內(nèi)徑向梯度特性，即在向內(nèi)的漂移軌道上的粒子通量更大，從而造成日側(cè)產(chǎn)生高的通量，夜側(cè)產(chǎn)生低的通量 (Reeves et al.,1998).環(huán)境擾動(dòng)會(huì)加劇高能電子隨地方時(shí)分布的差異，通過(guò)圖中給定時(shí)間段對(duì)應(yīng)的地磁活動(dòng)Dst指數(shù)和AE指數(shù)變化可以知道，這段時(shí)間內(nèi)的|Dst_min|<50 nT(Dst_min指磁暴Dst最小值)，表明僅有較弱的磁暴發(fā)生(磁暴強(qiáng)弱的劃分：DST<-200 nT為大磁暴，-200 nT2 MeV的電子峰值通量持續(xù)小于102cm-2·s-1·sr-1.這段時(shí)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的AE指數(shù)起伏變化顯著，表明在此期間亞暴活動(dòng)頻繁，圖中顯示強(qiáng)的亞暴活動(dòng)與200～800 keV較低能量電子通量在不同地方時(shí)的起伏變化存在一定的關(guān)聯(lián).當(dāng)強(qiáng)亞暴發(fā)生正值FY2G衛(wèi)星處于地方時(shí)子夜附近，高能電子通量會(huì)出現(xiàn)劇烈起伏變化，如圖中斜線(xiàn)標(biāo)注的1區(qū)、2區(qū)(分別對(duì)應(yīng)衛(wèi)星地方時(shí)2015-01-30 00∶00—3∶00左右、2015-02-02 22∶00—3∶00的夜側(cè)區(qū)域)，AE指數(shù)峰值在此期間均超過(guò)了500 nT；當(dāng)強(qiáng)亞暴發(fā)生期間衛(wèi)星處于離開(kāi)地方時(shí)子夜附近的其他地方時(shí)期間，高能電子通量?jī)H表現(xiàn)出類(lèi)似鋸齒形、較小幅度的通量起伏變化，如圖中斜線(xiàn)標(biāo)注的3區(qū)(對(duì)應(yīng)衛(wèi)星地方時(shí)2015-02-02 9∶00—14∶00左右的向陽(yáng)側(cè))，AE指數(shù)在此期間持續(xù)超過(guò)500 nT.FY2G高能電子觀測(cè)數(shù)據(jù)很好的反映出了亞暴對(duì)200～800 keV的電子通量在不同地方時(shí)產(chǎn)生的影響.

圖1 FY2G衛(wèi)星高能電子各道5分鐘平均通量隨Dst指數(shù)、AE指數(shù)地方時(shí)演化(N代表地方時(shí)正午；M代表地方時(shí)午夜.1區(qū)、2區(qū)和3區(qū)反映不同地方時(shí)高能電子的亞暴響應(yīng))Fig.1 Variations of 5-min average electrons flux from FY2G associated with Dst and AE values (N, M means noon and midnight separately in local time. Response to substorms showed in section1/2/3)

利用FY2G高能電子8s時(shí)間分辨數(shù)據(jù)給出了圖1中2區(qū)亞暴期間夜側(cè)高能電子通量隨地方時(shí)演化的展開(kāi)圖.在圖中陰影部分1對(duì)應(yīng)2015-02-01地方時(shí)22∶10—23∶30之間，受亞暴影響高能電子各道通量表現(xiàn)出如下變化特征：開(kāi)始通量出現(xiàn)顯著減少，而后在23∶10左右逐漸恢復(fù)到通量減少前的水平，接近23∶30又出現(xiàn)一次通量的顯著減少.亞暴期間高能電子通量的顯著減少與在亞暴影響下磁尾結(jié)構(gòu)發(fā)生的一系列變化有關(guān)，在亞暴發(fā)生期間等離子體片開(kāi)始變薄，對(duì)于處在地球同步軌道的衛(wèi)星而言，等離子體片變薄等效于衛(wèi)星穿越漂移殼，在磁尾午夜部分，等離子體變得最薄，因此穿越徑向梯度出現(xiàn)了能量粒子通量顯著減少.隨后隨著等離子

體片逐漸變厚，通量恢復(fù)到暴前水平(Geoffrey et al.,1994).接著上述23∶30電子通量出現(xiàn)減少后，在圖中陰影部分2中觀測(cè)到不同于陰影部分1的電子各道通量恢復(fù)和演化現(xiàn)象，200～800 keV高能電子各道通量表現(xiàn)出同時(shí)快速增強(qiáng)，通量明顯超過(guò)亞暴前水平(2月1日22∶00以前)，隨后高能電子通量隨時(shí)間演化呈現(xiàn)出與能量相關(guān)的色散傳播現(xiàn)象.這一現(xiàn)象可能源自該軌道粒子通量對(duì)于太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓的響應(yīng)，太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致磁層突變或急始脈沖，使得帶電粒子徑向傳輸過(guò)程中保持第一不變量守恒從而出現(xiàn)通量突然快速增長(zhǎng)(Vampola et al.,1992；Lee et al.,2005；Kim et al.,1997；Blake et al.,1997；Reeves et al.,1999)，增強(qiáng)的帶電粒子留存在地球同步軌道，在隨后的漂移過(guò)程中便會(huì)出現(xiàn)能量色散變化，這一觀測(cè)結(jié)果反映出亞暴期間夜側(cè)帶電粒子通量更為復(fù)雜的變化過(guò)程(圖2).

3.2 高能電子和磁暴

在2015-03-17—18日、06-22—23日爆發(fā)了本太陽(yáng)活動(dòng)周最大的兩次強(qiáng)地磁暴，Dst指數(shù)分別在世界時(shí)2015-03-17約22∶00(FY2G衛(wèi)星地方時(shí)為18日的4∶00左右)和6月23日約4∶00(FY2G衛(wèi)星地方時(shí)10∶00左右)達(dá)到最小值，對(duì)應(yīng)數(shù)值為-223 nT和-195 nT，并伴隨高強(qiáng)度的持續(xù)性亞暴活動(dòng)，AE指數(shù)峰值超過(guò)了1000 nT.圖3(a,b)分別給出2015年3月、6月磁暴發(fā)生期間高能電子低能段600～800 keV、高能電子高能段2 MeV、>3 MeV、>4 MeV各個(gè)能道5 min平均通量及相應(yīng)的磁暴Dst指數(shù)和亞暴AE指數(shù).從圖中可以看出兩起強(qiáng)磁暴均引發(fā)了高能電子通量增強(qiáng)現(xiàn)象，>2 MeV的高能電子峰值通量持續(xù)超過(guò)103cm-2·s-1·sr-1，構(gòu)成相對(duì)論電子增強(qiáng)事件，>3 MeV、>4 MeV的高能電子峰值通量也出現(xiàn)了顯著的增長(zhǎng).比較兩起事件中各能道高能電子的通量響應(yīng)過(guò)程可以看出，>2 MeV、>3 MeV和>4 MeV能量較高的高能電子通量在磁暴主相期間均出現(xiàn)下降，但3月暴前對(duì)應(yīng)電子通量水平已接近環(huán)境本底，因此對(duì)應(yīng)磁暴主相的通量下降并沒(méi)有6月顯著，粒子通量在主相的減少可由向外徑向擴(kuò)散或磁層頂陰影絕熱傳輸解釋(Kim et al.,1997).600～800 keV較低能量的高能電子由于受到亞暴電子注入的影響，通量下降并不明顯，尤其在3月磁暴主相期間，發(fā)生在FY2G衛(wèi)星地方時(shí)午夜附近的強(qiáng)亞暴使得該軌道600～800 keV的電子產(chǎn)生明顯的注入，其通量不降反升.在整個(gè)磁暴恢復(fù)相階段，>2 MeV高能電子通量開(kāi)始恢復(fù)并顯著增強(qiáng)，但電子通量表現(xiàn)出不同的上升時(shí)間尺度.3月磁暴恢復(fù)相階段，高能電子通量達(dá)到峰值表現(xiàn)出持續(xù)4天的較為緩慢的增強(qiáng)趨勢(shì)，即在3月19日電子通量出現(xiàn)增強(qiáng)直到3月22日通量達(dá)到峰值.6月磁暴恢復(fù)相階段，高能電子表現(xiàn)出更快時(shí)間尺度的增強(qiáng)，6月24日電子通量增強(qiáng)到通量達(dá)到峰值僅持續(xù)了1天的時(shí)間，在25日峰值通量超過(guò)104cm-2·s-1·sr-1.兩種增強(qiáng)可能源于地球同步軌道內(nèi)的一定位置的相同的初始加速事件的電子傳輸，但源自不同的傳輸過(guò)程，因此導(dǎo)致了不同的通量上升時(shí)間尺度：第一種電子通量緩慢增強(qiáng)更為典型，可能源于帶電粒子的緩慢的擴(kuò)散過(guò)程(Blake et al.,1997)，而第二種增強(qiáng)的出現(xiàn)可能與磁層壓縮有關(guān)，源于伴隨磁層壓縮的短時(shí)、準(zhǔn)絕熱的傳輸，這一傳輸導(dǎo)致峰值通量出現(xiàn)在磁層被壓縮最強(qiáng)的地方時(shí)近午時(shí)(Reeves et al.,1999).

圖2 亞暴期間夜側(cè)FY2G衛(wèi)星高能電子通量減少、恢復(fù)、快速注入增長(zhǎng)和色散傳播Fig.2 Electron flux sharp increase and energy dispersion observed by FY2G

3.3 太陽(yáng)質(zhì)子事件

較多的、高強(qiáng)度的太陽(yáng)質(zhì)子事件通常出現(xiàn)太陽(yáng)活動(dòng)的峰年期間(Smart et al.,1989).2015年開(kāi)始進(jìn)入第24周太陽(yáng)活動(dòng)周的下降相，自2015年1月至2015年9月期間，F(xiàn)Y2G監(jiān)測(cè)到兩起>10 MeV高能質(zhì)子通量超過(guò)10pfu((1pfu=proton/(cm2ssr))達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)子事件水平(目前國(guó)際上公認(rèn)的太陽(yáng)質(zhì)子事件確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)：質(zhì)子事件的開(kāi)始定義為地球同步軌道能量>10 MeV質(zhì)子通量初始3個(gè)連續(xù)的通量超過(guò)或等于10PFU的數(shù)據(jù)點(diǎn)；事件結(jié)束定義為>10 MeV質(zhì)子通量超過(guò)或等于10PFU的最后時(shí)間.) 圖4紅色曲線(xiàn)為FY2G高能質(zhì)子實(shí)測(cè)能譜擬合得到的>10 MeV高能質(zhì)子通量時(shí)序分布，第一起質(zhì)子事件開(kāi)始時(shí)間在6月18日11∶00(世界時(shí))左右，14∶00左右達(dá)到峰值約為16/(cm2ssr)，10∶00左右事件結(jié)束，高能質(zhì)子通量在整個(gè)事件期間表現(xiàn)出較為平滑的變化.第二起事件開(kāi)始于21日20∶35左右(世界時(shí))，在22日19∶00左右高能質(zhì)子通量出現(xiàn)短時(shí)跳變到峰值通量近1000/(cm2ssr)，第二起事件高能質(zhì)子通量在演化過(guò)程中表現(xiàn)出小幅起伏變化.通常認(rèn)為在地球同步軌道觀測(cè)到太陽(yáng)質(zhì)子通量最有效的來(lái)源為太陽(yáng)耀斑和行星際激波，即太陽(yáng)高能質(zhì)子會(huì)在耀斑發(fā)展過(guò)程中被加速或被伴隨日冕物質(zhì)拋射傳播產(chǎn)生的激波加速(Enriquez et al.,1995).FY2G同期太陽(yáng)X射線(xiàn)流量的觀測(cè)結(jié)果表明在兩起質(zhì)子事件發(fā)生前均伴隨太陽(yáng)X射線(xiàn)耀斑的發(fā)生(圖4黑色線(xiàn)條表示3.1～26.1 keV太陽(yáng)X射線(xiàn)流量觀測(cè)結(jié)果，太陽(yáng)X射線(xiàn)流量的脈沖式增強(qiáng)表明耀斑發(fā)生).對(duì)于第二次事件中質(zhì)子通量快速增強(qiáng)則可能是由于行星際激波抵達(dá)地球同步軌道產(chǎn)生的影響所致，這與CME的行星際擾動(dòng)相關(guān)聯(lián).

圖3 強(qiáng)磁暴期間FY2G高能電子典型能道通量響應(yīng)變化

圖4 FY2G衛(wèi)星太陽(yáng)耀斑和太陽(yáng)質(zhì)子事件觀測(cè)結(jié)果

4 與GOES衛(wèi)星比對(duì)分析

帶電粒子動(dòng)態(tài)變化主要取決于一系列的參數(shù)，如地磁活動(dòng)、電子能量、空間位置以及強(qiáng)烈變化的時(shí)間要素.通過(guò)多個(gè)地球同步軌道衛(wèi)星數(shù)據(jù)比對(duì)分析可以對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行相互檢驗(yàn)，可以提供對(duì)于不同地方時(shí)的更加全面覆蓋的同時(shí)觀測(cè).GOES系列衛(wèi)星目前有GOES13和GOES15兩顆衛(wèi)星開(kāi)展軌道空間高能帶電粒子的探測(cè).FY2G衛(wèi)星、GOES13和GOES15衛(wèi)星詳細(xì)位置信息見(jiàn)表2，GOES衛(wèi)星為三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星分別開(kāi)展沿軌道東西兩個(gè)方向、投擲角在90°附近的帶電粒子方向通量監(jiān)測(cè)；FY2G衛(wèi)星為自旋穩(wěn)定衛(wèi)星，探測(cè)粒子幾乎覆蓋全空間，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映全空間平均帶電粒子方向通量.

表2 不同衛(wèi)星位置信息Table 2 Satellites locations

4.1 高能電子觀測(cè)比對(duì)分析

地球同步軌道空間高能電子受地磁場(chǎng)的調(diào)制影響地方時(shí)分布差異顯著，F(xiàn)Y2G、GOES15和GOES13三顆衛(wèi)星在軌定點(diǎn)位置不同，意味著不同衛(wèi)星在同一時(shí)間觀測(cè)到的電子通量源自不同地方時(shí)，當(dāng)FY2G衛(wèi)星觀測(cè)到局地正午的強(qiáng)高能電子通量分布時(shí)，GOES15、GOES13衛(wèi)星同時(shí)觀測(cè)到的則是局地午夜附近較低高能電子通量分布.FY2G、GOES15和GOES13衛(wèi)星均直接開(kāi)展軌道空間>2 MeV的高能電子探測(cè)，觀測(cè)粒子數(shù)據(jù)時(shí)間均為世界時(shí)，依據(jù)衛(wèi)星的定點(diǎn)位置需將數(shù)據(jù)時(shí)間按表2轉(zhuǎn)換成地方時(shí).圖5給出了三顆衛(wèi)星6月16—30日觀測(cè)到的>2 MeV高能電子通量地方時(shí)分布，可以看出即便轉(zhuǎn)換到相同的地方時(shí)，由于磁場(chǎng)位形(尤其是在擾動(dòng)期間)差異，衛(wèi)星之間所處不同經(jīng)度、不同磁緯度等因素的差異，三顆衛(wèi)星觀測(cè)到的通量仍存在明顯差異，通常情況下分布在日側(cè)的點(diǎn)，由于磁場(chǎng)更加偶極化，這一地方時(shí)觀測(cè)到的粒子通量差異較其他地方時(shí)要小，三顆衛(wèi)星在日側(cè)觀測(cè)到的高能電子通量表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)偏差；分布在夜側(cè)的點(diǎn)，因?yàn)榇艌?chǎng)在夜側(cè)被極大拉升，且局地強(qiáng)烈擾動(dòng)頻繁，三顆衛(wèi)星觀測(cè)到的高能電子通量常表現(xiàn)出較大的差異.在文中3.2節(jié)我們知道6月22—23日的強(qiáng)磁暴期間，F(xiàn)Y2G衛(wèi)星觀測(cè)到了>2 MeV高能電子通量快速增強(qiáng)，圖5中可以看到GOES15、GOES13兩顆衛(wèi)星也觀測(cè)到了類(lèi)似現(xiàn)象，但增強(qiáng)現(xiàn)象使得不同位置的衛(wèi)星在日側(cè)相同地方時(shí)觀測(cè)到的粒子通量差異顯著加大(圖5陰影區(qū)域).此起快速增強(qiáng)事件的可能解釋歸因于磁層壓縮，而地方時(shí)近午時(shí)是壓縮最強(qiáng)的區(qū)域，因此當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行至地方時(shí)午時(shí)附近將最先觀測(cè)到受磁層壓

圖5 多衛(wèi)星高能電子地方時(shí)觀測(cè)結(jié)果(N表征地方時(shí)正午)Fig.5 Electrons local time distribution of multi-satellites (N means noon in local time)

縮極大影響下的高能電子通量變化，三顆衛(wèi)星觀測(cè)到的高能電子通量出現(xiàn)增強(qiáng)的時(shí)間分布可以知道，GOES13、GOES15兩顆衛(wèi)星最先觀測(cè)到了高能電子通量的增強(qiáng)，而FY2G衛(wèi)星滯后于GOES衛(wèi)星觀測(cè)到了高能電子通量的增強(qiáng)，這表明在擾動(dòng)發(fā)生期間GOES兩顆衛(wèi)星更接近地方時(shí)午時(shí)附近，而FY2G衛(wèi)星與GOES系列衛(wèi)星超過(guò)10個(gè)小時(shí)的時(shí)差意味著FY2G衛(wèi)星在擾動(dòng)發(fā)生期間遠(yuǎn)離地方時(shí)日側(cè)，因此只有當(dāng)FY2G衛(wèi)星隨后運(yùn)行至地方時(shí)午時(shí)附近才觀測(cè)到了高能電子通量的增強(qiáng).

4.2 太陽(yáng)能量粒子事件比對(duì)分析

太陽(yáng)能量粒子在磁層中的傳輸受太陽(yáng)活動(dòng)和地磁場(chǎng)的調(diào)制影響.圖6(a—c)分別給出3.3節(jié)中太陽(yáng)能量粒子事件發(fā)生期間FY2G、GOES15兩顆衛(wèi)星(東向和西向)觀測(cè)到的4～9 MeV、9～15 MeV和15～40 MeV高能質(zhì)子通量時(shí)間演化，并給出同期ACE衛(wèi)星觀測(cè)到的1.06～1.9 MeV高能質(zhì)子通量數(shù)據(jù)反映太陽(yáng)質(zhì)子通量在磁層外的時(shí)間變化特征.圖6(d—h)分別給出太陽(yáng)風(fēng)活動(dòng)相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)(包括太陽(yáng)風(fēng)密度、太陽(yáng)風(fēng)速度和太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓)、行星際磁場(chǎng)數(shù)據(jù)、磁層亞暴AE指數(shù)數(shù)據(jù)，圖中線(xiàn)性中斷部分源于數(shù)據(jù)缺失.在6月18日至6月20日高能質(zhì)子通量出現(xiàn)增強(qiáng)的事件1中，太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓值持續(xù)處于1 nPa附近；行星際磁場(chǎng)Bz值分布在0值附近，無(wú)顯著的南北向分量增強(qiáng)；磁層亞暴AE指數(shù)最大約400 nT左右.此次事件高能質(zhì)子通量增強(qiáng)幅度較小，僅持續(xù)約一天的時(shí)間通量即下降到10 cm-2·s-1·sr-1, 高能質(zhì)子各道通量水平大體呈現(xiàn)GOES15西向通量較高，F(xiàn)Y2G通量次之，GOES15東向通量最小，隨著能量的增強(qiáng)通量水平差異減小.事件2高能質(zhì)子通量出現(xiàn)顯著增強(qiáng)，在事件上升期太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓出現(xiàn)增強(qiáng)，行星際磁場(chǎng)Bz在0值附近出現(xiàn)小幅的起伏變化，但亞暴活動(dòng)水平相對(duì)較低，AE指數(shù)峰值僅約100 nT左右，不同衛(wèi)星觀測(cè)到的高能質(zhì)子通量水平差異大體與事件1相似， GOES15西向觀測(cè)質(zhì)子通量表現(xiàn)出與同期ACE觀測(cè)到的質(zhì)子通量更相似的變化，GOES15東向觀測(cè)質(zhì)子通量和FY2G質(zhì)子通量在此期間還表現(xiàn)出小尺度的起伏變化，起伏變化幅度隨能量的增加而減小.22日5∶40—5∶45之間，F(xiàn)Y2G衛(wèi)星和GOES衛(wèi)星東向觀測(cè)到的4～9 MeV較低能量質(zhì)子通量均出現(xiàn)顯著跳變，通量出現(xiàn)近一個(gè)量級(jí)的突增，三組高能質(zhì)子通量水平達(dá)到一致，直至6月23日3∶00左右三組高能質(zhì)子觀測(cè)通量水平持續(xù)保持基本一致，在此期間三組數(shù)據(jù)不同能量的高能質(zhì)子表現(xiàn)出與ACE觀測(cè)相似的通量起伏變化.在上述觀測(cè)期間太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓、行星際磁場(chǎng)Bz值以及AE指數(shù)均表現(xiàn)出較為劇烈的變化，自22日5∶45至23日5∶00左右太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓出現(xiàn)持續(xù)顯著增強(qiáng)，峰值超過(guò)40 nPa；伴隨強(qiáng)的持續(xù)的行星際磁場(chǎng)起伏變化和強(qiáng)的AE指數(shù)(AE指數(shù)峰值超過(guò)1000 nT).23日3∶00至23日14∶00左右，盡管太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓已顯著減弱，但AE指數(shù)仍保持峰值超過(guò)1000 nT的較高水平，且行星際出現(xiàn)持續(xù)較強(qiáng)的南向，三組高能質(zhì)子通量水平仍趨于一致，與ACE觀測(cè)到的相對(duì)平滑演化不同，三組質(zhì)子通量出現(xiàn)小尺度的起伏變化.23日14∶00后通量持續(xù)減少期間三組高能質(zhì)子通量表現(xiàn)出震蕩變化，高能質(zhì)子間或出現(xiàn)通量水平一致的現(xiàn)象，在此期間太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓在0.4～5 nPa之間起伏變化，AE指數(shù)也存在頻繁起伏，行星際磁場(chǎng)無(wú)明顯Bz南北向變化.

上述三組高能質(zhì)子觀測(cè)通量之間的強(qiáng)度差異可能源自太陽(yáng)質(zhì)子通量在磁層中傳輸 的‘東西’效應(yīng)影響，‘東西’效應(yīng)取決于太陽(yáng)質(zhì)子在磁層傳輸中的截止剛度，GOES15衛(wèi)星西向觀測(cè)的高能質(zhì)子其引導(dǎo)中心位于地球同步軌道外側(cè)，等效于處于其地磁截止的外面，可觀測(cè)到相對(duì)這一截止外部的高能質(zhì)子(Boyntonl et al.,2013; Rodriguez et al.,2010)，東向觀測(cè)的高能質(zhì)子其引導(dǎo)中心位于地球同步軌道內(nèi)側(cè)，等效于觀測(cè)到的是內(nèi)部的高能質(zhì)子，而FY2G衛(wèi)星為高速自轉(zhuǎn)衛(wèi)星，其觀測(cè)的高能質(zhì)子是內(nèi)外部高能質(zhì)子的綜合平均，由此可以解釋衛(wèi)星觀測(cè)到的三組高能質(zhì)子通量水平差異.能量更高的質(zhì)子其地磁截止越向磁層內(nèi)深入因此觀測(cè)到的不同能量質(zhì)子通量表現(xiàn)出隨著能量增強(qiáng)起伏變化逐漸減小的現(xiàn)象.太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓會(huì)將地磁截止向內(nèi)磁層移動(dòng)(Boynton1 et al.,2013；Rodriguez et al.,2010)，在強(qiáng)的太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓的影響下日下點(diǎn)磁層頂位置可能出現(xiàn)在地球同步軌道以?xún)?nèi)或接近這一位置，從而使得各能道通量強(qiáng)度趨于一致并達(dá)到相同的峰值水平，并表現(xiàn)出與ACE一致的起伏變化.伴隨低太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓和持續(xù)較強(qiáng)的AE指數(shù)三組高能質(zhì)子通量水平仍出現(xiàn)的趨于一致的現(xiàn)象，表明與亞暴相關(guān)的磁尾布局增強(qiáng)了在低太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓條件下的太陽(yáng)質(zhì)子向更低L進(jìn)入的機(jī)會(huì)(Boynton1 et al.,2013；Rodriguez et al.,2010)，從而使得內(nèi)部通量與外部通量水平達(dá)到一致.后續(xù)高能質(zhì)子通量在減少期間的震蕩變化則可能與太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓的起伏存在一定的關(guān)聯(lián).

圖6 太陽(yáng)質(zhì)子事件演化Fig.6 Solar proton events evolution

5 結(jié)論

利用FY2G高能帶電粒子探測(cè)儀器開(kāi)機(jī)以來(lái)觀測(cè)數(shù)據(jù)，較為詳細(xì)的追蹤了亞暴、磁暴期間的高能電子響應(yīng)變化和太陽(yáng)質(zhì)子事件期間的高能質(zhì)子響應(yīng)變化，發(fā)現(xiàn)了不同擾動(dòng)期間的粒子變化的一些特征，如下：

(1) 亞暴活動(dòng)在不同地方時(shí)對(duì)高能電子通量產(chǎn)生不同的影響，亞暴發(fā)生在FY2G衛(wèi)星處于地方時(shí)子夜附近，200～800 keV高能電子通量出現(xiàn)劇烈的起伏變化，粒子通量發(fā)生顯著減少和注入現(xiàn)象；亞暴發(fā)生在FY2G衛(wèi)星處于其他地方時(shí)期間，200～800 keV高能電子通量表現(xiàn)出類(lèi)似鋸齒形的通量分布.亞暴期間衛(wèi)星地方時(shí)2015年2月1日23∶30左右觀測(cè)到200～800 keV高能電子各能道同時(shí)、突然快速增強(qiáng)，增強(qiáng)的電子在隨后的漂移過(guò)程中產(chǎn)生了明顯的能量色散變化.

(2) 3月、6月期間兩起強(qiáng)磁暴導(dǎo)致>2 MeV的高能電子出現(xiàn)顯著增強(qiáng)，電子通量表現(xiàn)出不同的上升時(shí)間尺度.3月高能電子通量上升表現(xiàn)出持續(xù)4天的緩慢增強(qiáng)趨勢(shì)，6月高能電子通量上升表現(xiàn)出1—2天的快速增長(zhǎng).

(3) 6月連續(xù)觀測(cè)到兩起太陽(yáng)質(zhì)子事件，分別出現(xiàn)在6月18日和6月21日，兩起事件強(qiáng)度峰值分別約為16/(cm2·s·sr)、1000/(cm2·s·sr)，觀測(cè)能譜顯示未出現(xiàn)>40 MeV的太陽(yáng)質(zhì)子.除峰值強(qiáng)度差異外，兩起事件在通量的上升期和減少期表現(xiàn)出不同的演化方式，18日的質(zhì)子通量表現(xiàn)出較為平滑的變化；21日質(zhì)子通量表現(xiàn)出時(shí)間尺度為幾個(gè)小時(shí)的小幅起伏變化.

深入開(kāi)展與GOES衛(wèi)星同期觀測(cè)結(jié)果比對(duì)分析，發(fā)現(xiàn)：

(1) 地磁場(chǎng)位形、衛(wèi)星觀測(cè)位置等諸多影響因素使得FY2G、GOES13和GOES15衛(wèi)星同期觀測(cè)到的>2 MeV高能電子通量存在顯著的地方時(shí)差異，轉(zhuǎn)換成相同地方時(shí)的通量分布表明：通常在日側(cè)通量差異較小，各衛(wèi)星觀測(cè)粒子通量之間存在相對(duì)穩(wěn)定的偏差；在夜側(cè)由于局地磁場(chǎng)的劇烈頻繁影響，各衛(wèi)星觀測(cè)粒子通量之間差異最大.三顆衛(wèi)星對(duì)6月高能電子的短時(shí)增強(qiáng)的觀測(cè)反映出擾動(dòng)對(duì)地方時(shí)日側(cè)的強(qiáng)烈影響，使得觀測(cè)到的帶電粒子通量在日側(cè)差異加大.

(2) 在不同太陽(yáng)風(fēng)和地磁亞暴活動(dòng)條件影響下，F(xiàn)Y2G、GOES15衛(wèi)星觀測(cè)到高能質(zhì)子由于地磁截止不同導(dǎo)致的通量演化差異.低太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓和弱亞暴活動(dòng)期間， FY2G衛(wèi)星到的質(zhì)子通量略低于GOES15.強(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓將地磁截止向內(nèi)磁層移動(dòng)，從而使得FY2G、GOES15衛(wèi)星觀測(cè)到高能質(zhì)子通量水平基本相當(dāng).低太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓和增強(qiáng)的亞暴期間，仍為太陽(yáng)質(zhì)子向更低L進(jìn)入提供了機(jī)會(huì)，從而使得FY2G觀測(cè)到的高能質(zhì)子通量水平基本相當(dāng)于GOES15衛(wèi)星.

通過(guò)對(duì)FY2G衛(wèi)星典型動(dòng)態(tài)現(xiàn)象觀測(cè)結(jié)果較為詳細(xì)的分析描述，表明FY2G衛(wèi)星高能帶電粒子探測(cè)器能夠準(zhǔn)確反映出軌道空間粒子環(huán)境動(dòng)態(tài)變化特征，觀測(cè)數(shù)據(jù)可開(kāi)展更加精細(xì)的軌道粒子環(huán)境評(píng)估.不同衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析檢驗(yàn)了高能帶電粒子動(dòng)態(tài)響應(yīng)的詳細(xì)信息，反映出開(kāi)展衛(wèi)星星載高能帶電粒子局地探測(cè)的重要性，同時(shí)也反映出不同空間位置觀測(cè)可提供不同地方時(shí)的更加全面覆蓋的同時(shí)觀測(cè)，通過(guò)聯(lián)合觀測(cè)可以發(fā)展磁層對(duì)擾動(dòng)響應(yīng)更加復(fù)雜的圖像，為今后深入研究帶電粒子起源、重新分布、損失機(jī)制等提供新的可能.不同衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)分析還可以用來(lái)指導(dǎo)今后的數(shù)據(jù)同化應(yīng)用，為多衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)一致使用提供必要的參考.本文僅給出了FY2G衛(wèi)星開(kāi)機(jī)工作初期獲得的一些相對(duì)典型的動(dòng)態(tài)結(jié)果，并就這些結(jié)果的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了較為細(xì)致的描述，凸顯了FY2G衛(wèi)星新一代帶電粒子探測(cè)儀器探測(cè)能力和水平.現(xiàn)階段，太陽(yáng)活動(dòng)相對(duì)較弱，帶電粒子動(dòng)態(tài)擾動(dòng)現(xiàn)象并不十分劇烈，今后隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)的更多積累，觀測(cè)現(xiàn)象的更加豐富，將進(jìn)一步開(kāi)展更細(xì)化、深入的帶電粒的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化研究，并發(fā)展多星聯(lián)合觀測(cè)的相關(guān)研究工作.

致謝 感謝國(guó)家氣象局提供了FY2G衛(wèi)星高能帶電粒子實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，Kyoto大學(xué)WDC地磁臺(tái)站公布的實(shí)時(shí)Dst指數(shù), NOAA/GOES公布的高能粒子通量資料，感謝ACE/SWEPAM公布的太陽(yáng)風(fēng)等離子體、磁場(chǎng)資料.

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(本文編輯 汪海英)

Energetic particle observations on board the FY2G satellite

WANG Chun-Qin1,2*, SUN Yue-Qiang1,2， ZHANG Shen-Yi1,2， JIN Tao1,2, ZHANG Huan-Xin1,2， LI Jia-Wei3， ZHANG Xiao-Xin3， WEI Fei1,2， SHEN Guo-Hong1,2， HUANG Cong3， LIANG Jin-Bao1,2， SHI Chun-Yan1,2

1NationalSpaceScienceCenter,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,China2BeijingKeyLaboratoryofSpaceEnvironmentExploration,Beijing100190,China3NationalSatelliteMeteorologicalCenter,NationalCenterforSpaceWeather,Beijing100081,China

The FY2 series satellites are the principal observational platforms for covering dynamic weather events and the near-earth space environment in China. High energy particle detectors carried on the satellites have provided continuous and simultaneous monitoring of the geosynchronous energetic particle environment. The FY2G satellite is equipped with a new generation of energetic particle detectors, including two instruments for monitoring geostationary altitude incident flux density of protons, alpha particles, and electrons in more extensive and precise range of energy levels. The high energy electrons instrument senses incident flux of 200 keV to greater than 4 MeV high energy electrons with eleven channels. The high energy protons and heavy ions instrument senses incident flux of high energy protons with seven channels from 4 MeV to 300 MeV. The paper presents several representative observations performed from Jan 2015 until Oct 2015 with the new detector aboard on the FY2G satellite. A precise description and preliminary analysis of particle dynamics during disturbances such as magnetic storm, substorm, and solar eruption suggests that the detector can accurately respond to various disturbances and can provide refined particles data. Further comparison of particle dynamic observations of FY2G satellite with GOES series satellites leads us to believe that significant differences exist in particle flux evolvement. It appears that under some conditions the energetic particle fluxes can enter into a coherent level, yet intensive disturbances can cause great difference between observations of the satellites, which can be helpful for data assimilation of multi-satellite as well as further research in more complicated magnetosphere energy particle dynamics.

FY2G satellite; Energetic protons; Energetic electrons; Geostationary orbit (GEO)

10.6038/cjg20160902.

國(guó)家自然科學(xué)基金(41404149)資助.

王春琴，女，1978年生，博士，主要從事磁層帶電粒子探測(cè)數(shù)據(jù)處理分析工作. E-mail:WCQ@nssc.ac.cn

10.6038/cjg20160902

P353

2015-12-04，2016-07-22收修定稿

王春琴， 孫越強(qiáng)， 張坤毅等. 2016. FY2G衛(wèi)星新一代高能帶電粒子探測(cè)器觀測(cè)數(shù)據(jù)分析. 地球物理學(xué)報(bào)，59(9):3148-3158,

Wang C Q, Sun Y Q, Zhang S Y，et al. 2016. Energetic particle observations on board the FY2G satellite.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(9):3148-3158,doi:10.6038/cjg20160902.