2010, Vol. 53
地球辐射带是地球上空高强度的高能带电粒子的捕获区域.辐射带主要由内、外辐射带组成.内辐射带中心位于L=1.5RE，外辐射带中心位于L=（4~5）RE.内外辐射带之间存在一个粒子辐射通量很低的槽区（Slot Region），中心位于L~2.5RE.辐射带高能（相对论）电子可以直接穿透卫星屏蔽层，导致卫星内击穿放电，使航天器损毁，乃至完全失效.近年来多起的航天重大事故都是由于高能电子深层充、放电引起的，因此高能电子被称为卫星的“杀手”电子.
长期以来人们一般认为内、外辐射带之间的槽区是近地恶劣的辐射环境中的一个安全区域.这是由于等离子层顶产生的哨声波在槽区引起很强的粒子投掷角散射，因而粒子不容易被捕获，形成了一个低辐射通量的区域.辐射带的槽区曾被看作是非常适合航天器运行的安全区域，被称作安全岛.因此不少航天器选择辐射带的槽区作为轨道运行区域，其中大多数的中轨道卫星（Middle Earth Orbit，MEO），如大量的军事侦察卫星、商业通讯卫星、GPS卫星，都运行在此区域.
然而CRRES、SAMPEX、NOAA/POES以及POLAR等卫星的观测数据显示，大磁暴期间在内外辐射带之间的槽区可以存在大量的高能电子，槽区的位置、宽度都会发生变化.高能电子的注入导致槽区消失并形成新的辐射带.在粒子注入时，槽区外边界的高度往往下降，槽区被压缩甚至消失.这样在原定义高度下，粒子填充了相应空间区域，我们称为辐射带槽区粒子注入事件.
目前对辐射带槽区（2<L<3）的研究相对较少，关于辐射带槽区高能电子注入机制的理论也并不完善，对槽区注入事件的预报也缺乏经验；近年，一些研究表明，等离子层顶的位置与外辐射带电子下边界有很好的相关性，等离子层顶的位置很大程度上可以预测外辐射带电子可能的注入深度[1]；另一方面，Zheng等人（2006）[2]综合分析了2~6 MeV电子在辐射带槽区和内辐射带的分布，指出Dst指数与槽区相对论电子注入深度有很好的相关性.进一步的研究指出了磁暴主相期间，夜半球地磁场结构的巨大变化与辐射带槽区相对论电子辐射通量的增加存在相关[3]；相关研究也阐述了等离子体层嘶声波和雷电产生的哨声在辐射带槽区高能电子耗散中起到的作用[4].
在此基础上，并结合其他一些对辐射带粒子与太阳风参数相关性的研究[5]和辐射带粒子注入耗散机制的研究[6~8]结论，我们开展了对辐射带槽区>0.3 MeV高能电子的研究工作.利用NOAA/POES系列卫星从1996年到2006年一个太阳活动周的高能电子数据，研究了>0.3 MeV高能电子注入辐射带槽区与行星际条件、太阳活动和地磁扰动之间的联系；目的并不在于分析阐明某几个特殊的事件，而旨在找到辐射带槽区高能电子注入事件的普遍特性，得到注入槽区的辐射带高能电子分布特征.以上研究对验证当前理论和形成槽区高能电子注入的模型很有意义.为进一步的研究并最终在理论上形成辐射带槽区高能电子分布特征的模型和在技术上实现辐射带槽区高能电子注入事件的预警模式提供条件.
2 NOAA/POES卫星和数据本文研究所用的卫星数据来自NOAA（美国国家大气海洋局）的POES系列卫星，地磁数据主要为每小时的Dst指数，太阳风数据来自Wind和ACE卫星.
2.1 NOAA/POES系列卫星NOAA/POES系列低高度极轨卫星携带了空间环境探测器SEM沿卫星轨道探测离子和电子通量.POES卫星高度约850 km，倾角约99°.卫星轨道基本覆盖了所有的经度和-81°至81°的纬度范围.其实际高度变化范围约是800 km到850 km，实际倾角变化范围约是98.5°到99.0°.本文涉及NOAA-12和NOAA-14[9]（1996年1月~1998年7月）及之后的所有上述在轨卫星（NOAA-15，NOAA-16，NOAA-17，NOAA-18[10]）（1998年8月~2006年12月），使用卫星高能粒子探测器中MEPED方向电子探测器的>0.3 MeV电子8秒钟的数据.
2.2 其他数据资料每小时的Dst指数来自东京地磁台站http://swdcdb.kugi.kyoto-u.ac.jp/.太阳风数据来自Wind[11]和ACE[12, 13]卫星，ACE发射于1998年，2000年后全部由ACE卫星来提供太阳风数据.
3 数据分析 3.1 辐射带槽区>0.3 MeV电子注入事件内辐射带上边界与外辐射带下边界之间的区域，由于电子通量较低而被称为辐射带槽区.通常认为的辐射带槽区位于L~2-3的位置，然而在经过剧烈地磁活动的过程中，外辐射带的高能电子会注入并压缩槽区，甚至全部填满该区域[14, 15].
图 1显示了1996~2006共11年（一个太阳活动周）期间的NOAA卫星MEPED探测器>0.3 MeV电子计数率通量常用对数值图谱；中间为相同时间的电子计数率通量常用对数值在L~2.5-3范围的平均值线图；下方显示Dst指数日平均值曲线；背景为太阳黑子对数曲线.三组图的数据均为每天的平均值.图 1清楚地显示了>0.3 MeV电子的注入事件与Dst指数之间密切的相关性，以往的研究也同样指出了注入事件主要发生于磁暴期间[2].
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图 1 NOAA卫星MEPED探测器>0.3 MeV电子计数率通量常用对数值图谱（1996~2006年）；下方显示相同时间的电子计数率通量常用对数值在L值2.5~3范围的平均值线图，以及Dst指数日平均值线图；背景为太阳黑子相对数线图 Fig. 1 Top panel: >0.3 MeV electron flux with L and time detected by MEPED instrument on NOAA satellites from 1996 to 2006. Middle panel: average value of the electron flux from L = 2.5 to L=3.0 in the same time period. Bottom panel: Dst index in this time period. Background grey line: sunspot relative number |
本文中我们定义2.5<L<3的范围内>0.3 MeV电子计数率的平均值表示槽区电子的特征，并用来直接反映槽区在高能电子注入和平静期间的变化.选取该范围（2.5<L<3）是因为在太阳活动高年，内辐射带>0.3 MeV电子分布的上边界（由下向上通量减少至内辐射带通量最大值的20%）比较接近L~2.5而不是L~2；而L~3以上的范围主要反映外辐射带的特征.图 1中定义当位于槽区（2.5<L<3）>0.3 MeV电子计数率的对数值大于2.5时为一次电子注入事件，以虚线表示.分析结果表明在Dst<-100 nT也就是发生强磁暴事件[16]时才出现本文中定义的高能电子注入槽区事件.
从图 1看出2003年是1996~2006期间>0.3 MeV电子注入槽区最为显著的一年，图 2给出了2003年NOAA-16卫星MEPED探测器>0.3 MeV电子计数率通量常用对数值图谱；中间为相同时间段的电子计数率通量常用对数值在L~2.5-3范围的平均值线图；下方显示Dst指数日平均值曲线.三组图的数据均为每天平均值.图 2也很好地反映出Dst指数日平均值与槽区电子通量的相关性.从图 2中可以发现辐射带槽区高能电子通量变化并非以往认为的明显推迟于地磁活动2~3天[2]，而是在Dst指数骤降的几乎同一天就发生了通量的突增，只是在Dst达到极小值之后的2~3天才达到极大值.0.3~2.5 MeV电子的这种注入快、耗散慢的特点为槽区空间天气的预报增加了困难.
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图 2 NOAA-16卫星MEPED探测器>0.3 MeV电子计数率通量常用对数值图谱（2003年）；相同时间的电子计数率通量常用对数值在L~2.5-3范围的平均值线图；下方显示Dst指数日平均值线图 Fig. 2 >0.3 MeV electron flux with L and time detected by MEPED instrument on NOAA-16; average value of the electron flux from L=2.5 to L=3.0 and the Dst index in the same time period |
将1996~2006年所有高能电子注入辐射带槽区的注入事件进行了统计.例如我们可以通过图 2得到如表 1的注入事件统计，统计结果同时给出了高能电子注入通量的峰值和事件持续的时间.
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表 1 2003年辐射带槽区（2.5<L<3）>0.3 MeV电子计数率通量常用对数大于2.5的事件统计 Table 1 Statistics of the penetration events in 2003 when lg counts of >0.3 MeV electrons in slot region of radiation belt (2.5<L<3) are greater than 2.5 |
本文将辐射带槽区>0.3 MeV电子注入事件强度定义为Ф，Ф的大小定义为注入期间最大计数通量对数值与注入持续天数的乘积.我们用此种方法对1996~2006年共计11年期间的注入事件进行了统计分析，其结果列于表 2.其中Φ表示>0.3 MeV电子的注入强度的年平均值.
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表 2 1996~2006年期间>0.3 MeV电子注入事件统计 Table 2 Statistics of the penetration events from 1996 to 2006 |
图 3给出了太阳活动周中太阳黑子相对数和Ф的关系.从图 3看出，整体上注入的强度表现出了太阳活动高年强、低年弱的特点.然而在太阳活动的下降阶段（如2003年和2005年），也表现出了强烈的注入活动.
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图 3 1996~2006年太阳黑子相对数与槽区>0.3 MeV电子注入强度关系 Fig. 3 The correlation between sunspot relative number and >0.3 MeV electron's penetration events from 1996 to 2006 |
图 1表明了>0.3 MeV电子注入槽区的事件与Dst指数关系密切.同时对各年的情况进行了细致的分析发现，本文中定义的>0.3 MeV注入槽区事件总是伴随着强磁暴发生的（Dst<-100 nT[16]）.
图 4给出了2004年7月到2004年10月一次强注入事件期间>0.3 MeV电子通量的图谱，2.5<L<3处电子计数率通量常用对数线图，以及相应时间段的太阳风和地磁数据：速度Vs、磁场Bz分量、Kp指数和Dst指数.
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图 4 2004年7月到10月>0.3 MeV电子通量的图谱，计数率通量的常用对数（2.5<L<3）相应的线图，太阳风速度Vs，磁场Bz分量，Kp、Dst指数曲线 Fig. 4 From top to bottom，panels show: >0.3 MeV electron flux from July to October in 2004, lg counts (2.5<L<3), velocity of solar wind (Vs), vertical magnet field component (Bz), Kp index and Dst index |
对比图 4每一栏数据图线，不难看出这一次强注入事件与每一栏中的参数都有明显的关系，其中Dst与Kp指数的变化与注入电子通量吻合得很一致.事件开始期间，通量增长与太阳风和地磁参量变化的时间几乎相同，如图中左边竖线标记；在事件发展期间，电子通量值在各参量到达峰值后约2天才到达最大（如图中右侧的竖线）.从谱图上看，外辐射带的电子在事件期间注入槽区，槽区被填满而消失；事件开始约2周后，槽区重新出现.图中Dst指数的变化与电子通量的显著关系说明了磁暴主相期间由于磁场的快速变化破坏了电子在磁场运动的绝热不变量而导致电子向更低的漂移壳运动，使得槽区充满了大量的高能电子.在磁暴的恢复相初期，由于磁场仍低于正常水平，离开稳定捕获状态的电子注入过程仍在继续，这就使得槽区高度的电子通量持续增加并达到最大值.直到磁暴结束，槽区中的新电子带渐渐出现.
我们通过图 2和图 4分析Dst指数与槽区电子分布的关系，发现对于不同的注入事件，Dst指数的大小对应着每个事件的最大电子计数率和持续时间；然而，每次事件的电子计数率通量常用对数值到达峰值后又以相似的斜率减小.于是，我们提出这样的经验性假设：Dst指数的大小与高能电子的注入率相关，而高能电子的损失率基本与磁暴的大小无关.
4 事件的预报由于Dst指数与槽区电子注入有着密切的相关性，这就为注入辐射带槽区高能电子强度的预报提供了可能.为了分析Dst指数与辐射带槽区高能电子通量的时间同步性，我们选取了一些事件，以更高的时间精度来进行研究.图 5给出了2003年8月发生的一次磁暴过程中槽区>0.3 MeV电子通量和Dst指数线图，选取的Dst数据为小时精度，通量数据为2小时平均.从图中可以看出，磁暴主相开始时刻（以竖线表示）与电子通量增加的开始时刻同步.进一步分析，可以发现电子通量的峰值出现在磁暴恢复相开始后15小时左右，而且在磁暴恢复相后期仍保持着较高的电子通量.因此，对于这个事件，以15小时作为提前量，就可以根据磁暴主相时Dst指数的强度，判断出15小时之后注入事件的峰值的大小；而根据随后的Dst指数的变化特点，又可以得知注入事件持续的时间.根据3.2节中进行的统计分析，可以直接得到这样的结论：槽区高能电子注入事件总开始于大磁暴（<100 nT）主相开始后的十几小时，并且持续若干天.这样，利用Dst指数的实测数据，可以推算出辐射带槽区的高能电子通量，并可以诊断和预测未来可能出现的注入事件；同时结合Dst指数的预报，就可以对未来一段时间的槽区高能电子通量给出定量的预报值.基于以上研究结果，我们就需要找到Dst指数和辐射带槽区高能电子通量之间的定量关系.
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图 5 2003年8月>0.3 MeV电子计数率通量常用对数线图和同时段Dst指数线图 Fig. 5 >0.3 MeV electron flux in August 2003 and the Dst index |
为了得到Dst指数与槽区高能电子通量之间的定量关系，我们提出如下几点假设：
（1）处在辐射带槽区地理高度（L~2.5-3）的>0.3 MeV电子具有稳定的耗散率；
（2）在磁暴主相，槽区>0.3 MeV电子注入率都是Dst指数的函数；
（3）在恢复相初期（当Dst指数恢复到某一值）时，槽区>0.3 MeV电子注入率是Dst指数的函数，而在恢复相后期Dst指数的变化对电子的注入不再有贡献.
其中第一条假设指出了电子的耗散与Dst指数无关，也就是槽区电子总会稳定的耗散；第二、三条假设说明了，在磁暴的主相和恢复相初期，高能电子会注入槽区，注入率是Dst指数的函数.这里需要说明的是，以上的假设是根据数值上的分析提出的，并不是要给出物理上的结论.在这样的假设基础上，可以给出一个简单的递推计算模型，就是利用先前的卫星观测到的槽区电子通量值和Dst指数，以及实时的Dst指数来推算当前的槽区电子通量值；进一步结合Dst指数的预报分析，给出未来一段时间的槽区电子通量，进而形成预警模式.
我们规定单位时间t，它表示了数据点的采样频率；约定发生在t时段开始时刻的参量脚标为1，发生在t时段结束时刻的参量脚标为2.根据第一条假设，设辐射带槽区>0.3 MeV电子稳定耗散速率为A；根据后两条假设，当磁暴主相或恢复相初期（Dst<x）时，槽区>0.3 MeV电子注入率是Dst指数的函数f（Dst）.记高能电子通量为F，得到如下方程：
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(1) |
方程左边为t时间前后>0.3 MeV电子通量的变化量；右边括号中第一项是注入率，第二项是耗散率.根据假设1，耗散率稳定存在，与Dst指数无关；根据假设2、3，当Dst2>x且Dst2>Dst1（恢复相后期）时，f（Dst2）=0.将它代入公式（1），可得F2-F1=-At.这样就可以利用恢复相后期的高能电子观测数据求解参数A，继而，在其他时段，就可以通过观测数据和已经求得的A来确定函数f的形式.
图 6给出了2003年的所有槽区注入事件中，槽区电子通量增加时Dst指数与>0.3 MeV电子通量日增幅的分布图，由图可以假设f（Dst2）符合对数函数分布，从而简化了>0.3 MeV电子注入率与Dst指数之间的关系.
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图 6 Dst指数与槽区>0.3 MeV电子通量增幅的关系 Fig. 6 The correlation between Dst index and the increase of >0.3 MeV electron flux |
因此方程（1）可以简化为
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(2) |
其中m是要保证m-Dst2大于零，这里令m=30 nT（Dst指数通常不会大于30 nT），方程中的c、A和条件中的x是待求参量.选取采样频率t为1 h，通过分析2001年和2003年几个注入事件中Dst指数与槽区电子通量的变化，我们给出了待求参量的经验值，x=-50 nT，A=0.042 h-1，c=0.025 h-1.
利用小时精度的Dst数据来进行一天的推算，再对每天得到的24个值求平均，最终给出电子通量的每日平均值.由于计算的方式是递推的，也就是根据一个已知的通量观测值和Dst指数的变化曲线来计算之后的通量值，这样误差就随着推算时间的增加而增加.因此，要得到较精确的计算值，就需要有卫星提供电子通量数据来对推算进行修正.图 7给出了利用上述方法得到的2003年8月推算结果，其中图 7a没有进行修正，即利用前一个推算值递推下一个值；图 7b是实时修正的结果，即利用观测值来推算槽区电子通量，推算时长为一天.显然，不修正的结果误差就会被不断放大.将这样的计算拓展到2003年全年，如图 8所示.
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图 7 2003年8月注入事件的预报结果 （a）为不进行修正的线图（深色线为观测数据），（b）为每日进行修正的线图，（c）为对应时段的Dst指数. Fig. 7 The forecast of the penetration event in August 2003 (a) shows the calculated curve without correction (bold line shows the observation), (b) shows the curve after daily correction, (c) shows the Dst index. |
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图 8 2003年Dst指数计算槽区>0.3 MeV电子计数率通量常用对数结果与NOAA-16卫星观测结果对比，其中深色线为观测值 Fig. 8 The resutt of the forecast flux of >0.3 MeV electron in 2003, bold line shows the observation |
利用这个简单的计算模型，一方面，当在一段时间（一个月左右）内得不到卫星数据的情况下，可以通过稳定发布的Dst指数估算出当前槽区的辐射状况；另一方面，应用Dst指数的预报，我们可以得出槽区高能电子通量的预报结果，进而作出高能电子注入事件的预警.
上述预报方式旨在给出一个预报的思路，也就是通过磁暴来预测会导致多大的注入事件发生.然而辐射带槽区>0.3 MeV电子注入事件的发生并不能完全由Dst指数变化的情况决定，而要真正精确地预测辐射带槽区电子通量，就需要引入更多的地磁与行星际环境参数并形成更详尽的辐射带高能电子加速模型.
5 结论和讨论利用POES/NOAA系列卫星数据，分析了自1996~2006年一个太阳活动周的高能电子数据.主要对>0.3 MeV高能电子注入辐射带槽区事件与太阳和地磁活动进行了相关性分析，分析了>0.3 MeV高能电子注入辐射带槽区事件与行星际条件、太阳风参数以及地磁活动指数之间的相关性，得到如下几个结论：
（1）通过对槽区注入事件进行定义，> 0.3 MeV电子的注入事件通常发生在磁暴期间，持续时间则长于一次磁暴.
（2）将2.5<L<3的范围作为考察注入事件电子通量的区域，发现仅在Dst<-100 nT时才会出现本文定义的一次电子注入事件.
（3）注入事件的发生率与太阳活动强度有一定的相关性，即太阳活动高年注入事件明显高于其他年份.但是在太阳活动上升和下降的某些年份，注入事件也会增多.因为磁暴是导致槽区电子注入的主要原因，而在非太阳活动高年虽然由日冕物质抛射（CME）引发的磁暴在减少，但是由太阳风共转相互作用区（CIR）引发的磁暴在增多.
（4）分析各种太阳风、地磁参数与注入事件的关系表明，地磁参数特别是Dst指数与注入事件关系最为密切.
（5）槽区电子通量的变化并不明显延时于Dst指数的变化，研究发现变化的开始阶段几乎没有延时，在Dst骤降的同时电子通量就开始增加；而在Dst指数达到峰值后，电子通量会继续增长1~2天，然后达到峰值.注入电子的耗散明显慢于地磁变化，新的槽区往往在磁暴的结束之后才会渐渐出现.
（6）通过磁暴来预报>0.3 MeV电子的注入事件是完全可行的，在以上的几个结论基础上可以得到初步的预警模式，所得结果与观测的结果也能较好吻合.
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