2011—2015年輻射帶電子動態FY-3B衛星實測結果

王春琴， 張賢國, 沈國紅， 張珅毅, 張效信， 黃聰， 李興冀

1 中國科學院國家空間科學中心, 北京 100190 2 天基空間環境探測北京市重點實驗室， 北京 100190 3 中國科學院空間環境態勢感知技術重點實驗室, 北京 100190 4 中國氣象局國家空間天氣監測預警中心， 北京 100081 5 哈爾濱工業大學， 哈爾濱 150001

0 引言

磁層捕獲電子通常被認為分布在內帶(在赤道面測量距地球中心約2～2.5個地球半徑以內，中心在1.5個地球半徑附近)和外帶(在赤道面測量距地球中心約3～7個地球半徑，中心在4～5個地球半徑).外輻射帶分布著～100 keV到≥10 MeV的寬能譜電子，內帶分布著大量低、中能量的電子，存在極少MeV以上能量的相對論電子(Blake et al., 2015，Li et al., 2015; Fennell et al., 2015).內帶和外帶之間(L≈2～3),由‘槽區’隔離，‘槽區’在地磁平靜期間電子通量水平極低，通常被認為是500 keV以上電子的耗空區(Summers et al., 2004)，高能量的電子相對稀少.上述電子內磁層的分布是理想靜態環境下的描述，事實上，日地空間是高動態的環境，受環境擾動影響電子在內磁層表現出復雜的動態變化，電子空間區域分布和通量水平完全不同于上述靜態圖像.外輻射帶動態變化劇烈，時間變化尺度多樣，從幾小時到一個太陽周(Baker and Kanekal，2008；Baker and Blake，2012)，受磁暴影響MeV電子在這一區域還存在雙帶分布結構(Baker et al.,2013)；在相對‘溫和’的槽區，強空間天氣事件期間會被大量中等能量的電子填充(Tu et al.,2009;Zhao and Li, 2013;Turner et al., 2015; Kavanagh et al., 2018)，受強磁暴影響在該區域還會出現MeV以上的電子的填充，如1991年3月的強磁暴，2003年10月到11月期間強磁暴導致的MeV電子的顯著長時間填充事件(Blake et al.,1992；Looper et al., 2004).內輻射帶相對穩定，但強環境擾動仍會導致幾十到幾百keV的電子在該區域出現增強(Ma et al., 2017)，有研究發現強磁暴甚至會導致MeV電子穿越槽區進入到內帶區域(Blake et al. 2001; Baker et al., 2007).

FY-3B衛星為極軌系列衛星之一，軌道高度約800 km，傾角約90°，軌道周期不超過2 h，在一天內可以多次覆蓋低L到高L的整個輻射帶區域.星上安裝有寬能譜高能電子探測器，探測數據可支持開展內磁層不同L區域的電子區域動態和通量分布研究.FY-3B衛星高能電子探測器自2010年11月開機工作，至2016年6月因星上供電不足探測儀器關機，由此獲取了超過5年的高能電子連續觀測數據.儀器工作時段處于第24周太陽活動周，太陽黑子記錄表明該太陽活動周為近5個太陽活動周(自1963年以來)太陽活動水平最低的一個周期，對軌道空間粒子輻射有著顯著影響的太陽風速度、地磁活動等擾動在該周期內活躍程度減弱，常呈現極低擾動狀態(Riley and Love,2017),連續長時間的電子探測數據有助于深入了解這一特殊周期內擾動對軌道空間電子環境動態的影響.

本文利用FY-3B衛星高能電子觀測數據，給出第24周太陽活動周期內，2011年至2015年不同能量電子通量在輻射帶的時間和空間動態表現.并分析了2014年5月10日至7月30日和2015年5月10日至7月10日2個典型時段內，以AE指數、Dst指數和太陽風速度為代表的環境擾動參數變化對不同能量高能電子通量在輻射帶不同區域分布產生的可能影響.

1 探測儀器及數據篩選

FY-3B衛星是繼我國FY-1系列衛星后的第二代極軌氣象衛星“風云三號氣象衛星”的第二顆.星上粒子探測器繼承了FY-1系列空間粒子探測器的設計(Wang et al.,2020)，并進一步發展研制出了具有精細能譜探測的高能電子探測器.FY-3B衛星高能電子探測器傳感器由3片半導體探測器疊加組成，傳感器經準直構成40°的探測張角.通過測量帶電粒子在傳感器中損失能量所產生的電荷脈沖，確定入射電子能量和通量.在對電荷脈沖幅度進行測量分析時，通過設置去質子閾值，排除質子對電子測量的干擾，確保電子測量的準確性.探測儀器設置了5道電子微分能道，分別為0.15～0.35 MeV,0.35～0.65 MeV, 0.65～1.2 MeV,1.2～2.0 MeV和2.0～5.7 MeV，通過地面定標和仿真試驗得到各能道能檔劃分精度優于10%，通量精度優于25%，探測儀器本底噪聲<50 cm-2·s-1·sr-1.高能電子探測器安裝在衛星正Y面(背陽方向)，因此，探測數據主要為投擲角集中在90°附近的捕獲帶電粒子.

FY-3B衛星高能電子數據包含5道高能電子微分方向通量，通量單位cm-2·s-1·sr-1，時間分辨率為2 s.探測數據與國外多顆同類衛星NOAA-15、16、17、18、19和MetOp-02同期高能電子探測數據開展了交叉比較，對于相同空間物理現象，FY-3B電子數據與同類數據具有一致的趨勢和量值響應(Wang et al.,2013; Zhang et al.,2018)，因此，FY-3B電子探測數據可有效、可靠用于開展軌道空間的電子動態研究.

對于FY-3B軌道而言，衛星經歷的高能電子輻射空間分布和對應的輻射帶位置(采用IGRF磁場模型計算獲取L)如圖1所示：經度100°W—60°E，緯度50°S—10°N的南大西洋異常區，對應電子內輻射帶；高緯度區域，全經度帶狀分布，對應L>3的外輻射帶；中低緯度區域，特定經度范圍的多帶狀分布，對應槽區和更低L內帶區域，其中內帶區域電子強度顯著低于南大西洋異常區.南大西洋異常區是內輻射帶電子峰值通量的分布區域，該區域電子長期存在且相對穩定(Miyoshi et al.,2004).在南緯區域，槽區電子分布會與異常區融合在一起.因此，本文盡可能剔除南大西洋異常區強通量對觀測數據動態分析的影響，數據篩選條件：在北緯，緯度>10°N.在南緯，分三個條件篩選，經度>60°E；經度<100°W；經度100°W—60°E且L>3.篩選出的電子通量數據按0.02L×1天作平均.為反映環境擾動參數對電子區域動態的影響，文中還用到了5 min分辨的太陽風速度數據、AE指數數據和Dst指數數據，參數數據來源http:∥cdaweb.gsfc.nasa.gov/，并對參數數據作相應的日平均處理.

圖1 FY-3B衛星觀測到的>150 keV電子通量空間分布Fig.1 Electron flux distribution of >150 keV observed by FY-3B satellite

2 2011—2015年電子通量觀測結果

圖2a—2e從上到下分別給出2011—2015年期間0.15～0.35 MeV,0.35～0.65 MeV, 0.65～1.2 MeV,1.2～2.0 MeV,2.0～5.7 MeV,5道電子日平均通量情況，橫坐標為時間，覆蓋2011—2015年；縱坐標為L.各能道通量強度大小通過不同顏色表示，圖中電子通量最小閾值均設為50 cm-2·s-1·sr-1，以該閾值確認電子通量最小動態響應變化.0.15～0.35 MeV，0.35～0.65 MeV, 0.65～1.2 MeV,3道電子最大通量設置為5×105cm-2·s-1·sr-1，1.2～2.0 MeV電子最大通量設置為2×104cm-2·s-1·sr-1,2.0～5.7 MeV電子最大通量設置為1×103cm-2·s-1·sr-1,超過最大通量閾值用灰色表示，由此來反映不同能量電子在分析時段內可達到的峰值通量水平.白色空白的部分由于軌道有誤，在此不用于開展分析.圖2f—2h為對應時間段內的地磁活動AE指數、Dst指數和太陽風速度參數.

從分布區域來看，2011—2015年期間，0.15～0.35 MeV電子的通量分布出現在電子輻射帶的各個區域，0.35～0.65 MeV電子主要出現在槽區和外輻射帶，0.65～1.2 MeV電子在槽區的分布逐漸減少，集中分布于外輻射帶，而1.2 MeV以上的電子則更多地以外輻射帶分布為主，有很少量槽區的注入，但并不明顯.區域分布反映出較低能量電子填充槽區并注入到內帶區域與能量有關，較低能量的電子更容易從高L注入到低L，高能量增強常常伴隨著低能量的增強，但低能量的增強并不一定有高能量的增強，這一結果在相關的研究中得到了證實(Reeves et al.,2016).

從通量強度來看，在外輻射帶區域，0.15～0.35 MeV，0.35～0.65 MeV和0.65～1.2 MeV的電子通量變化頻繁，表現出短時間、劇烈增強變化，最大增強幅度超過1個量級，電子日均峰值強度在105cm-2·s-1·sr-1，1.2 MeV電子通量顯著的增強變化減少，最大增強幅度超過1個量級，峰值強度在104cm-2·s-1·sr-1，而2.0～5.7 MeV電子通量僅出現為數極少的幾起增強變化，峰值強度小于103cm-2·s-1·sr-1.

電子通量在外輻射帶區域的峰值位置、內邊界位置不同，急劇增強的電子通量峰值位置、內邊界位置更靠近低L區域，而極弱變化的電子通量峰值位置、內邊界位置則出現在較高的L區域.在槽區，0.15～0.35 MeV電子依然表現出相對活躍，相對劇烈的增強變化，峰值強度可達到外帶水平.0.35～0.65 MeV電子增強變化逐漸減少并明顯減弱，峰值強度顯著低于外帶水平.0.65～1.2 MeV電子通量增強變化顯著減少，且峰值強度極大地弱于外帶水平.>1.2 MeV的電子在此期間在靠近外輻射帶的小范圍區域有少量分布.在L<2的內帶區域，僅有0.15～0.35 MeV電子通量有分布，呈現出2個峰值區域，一個在L～1.3,峰值通量不超過103cm-2·s-1·sr-1，另一個在L約1.6～1.8，峰值強度不超過104cm-2·s-1·sr-1，低于外輻射帶和槽區，見圖4.

整體而言，外輻射帶的電子通量表現出高動態變化，在槽區和內帶區域動態變化明顯減弱，能量越低動態變化越頻繁，2014年電子通量水平持續長時間處于極低水平，空間分布范圍極大地縮小至L>4的外輻射帶，能量超過MeV的電子通量甚至低于50 cm-2·s-1·sr-1.在2011底到2012年初的部分時段、2013年初的部分時段也出現了與2014年類似的極低通量、極小范圍的分布.2015年大部分時間電子通量水平處于極高水平，空間分布大范圍擴散至整個槽區.相似的分布還出現在2012年中期和2013年年中期的部分時段.這一動態結果與RBSP/REPT同期MeV電子動態結果相似(Baker et al.,2019)，說明2011年至2015年期間不同能量電子的整體演化趨勢是一致的.對照同期的環境參數，可以看到在極低通量分布的幾個時段內，太陽風速度持續保持在<500 km·s-1極低水平，Dst指數持續保持在>-50 nT和AE指數保持在<500 nT，均處于極低擾動水平.由此，太陽風速度、地磁活動為影響電子通量變化和區域動態的主要控制因素，多項研究中已有證實(Li et al., 2005; Lyatsky and Khazanov, 2008; Reeveset al., 2011).從圖3中可以看到0.15～0.35 MeV的電子在內帶區域的動態，與槽區、外輻射帶動態有所不同，主要呈現出持續長時間的周期變化，這一變化趨勢與亞暴活動長時間周期變化趨勢有著相對明顯的關聯.早期低軌道衛星也有類似觀測，研究認為這一區域電子動態的產生與VLF波釋放有關(Grachev et al.,2005; Grigoryanet al.,2006,2008)，而在中緯度和極區不同類型的VLF波的釋放活動與亞暴活動有著緊密的聯系(Liang et al.,2009; Lubchich et al., 2006).

圖2 0.15～0.35 MeV,0.35～0.65 MeV, 0.65～1.2 MeV,1.2～2.0 MeV,2.0～5.7 MeV電子日平均通量L-時間變化及同期AE指數、Dst指數和太陽風速度Fig.2 L-time variations of daily average electron flux of 0.15～0.35 MeV, 0.35～0.65 MeV, 0.65～1.2 MeV, 1.2～2.0 MeV, 2.0～5.7 MeV, AE index, Dst index and solar wind speed in the same period

圖3 0.15～0.35 MeV電子日平均通量L-時間變化及同期AE指數、Dst指數和太陽風速度Fig.3 L-time variations of daily average electron flux of 0.15～0.35 MeV and AE index in the same period

圖4 2014年5月至7月太陽風速度、Dst指數、AE指數時序演化Fig.4 Solar wind speed, Dst index and AE index variations during May to July, 2014

3 不同環境擾動時段電子響應動態

選擇2014年5月10日至7月30日，2015年5月10日至7月10日兩個時段展開具體的電子通量動態分析，深入了解電子受不同環境擾動影響下在不同L區域，隨不同能量的響應差異，分別取外輻射帶外邊界區域(L～6.0,6.2,6.5,6.7)，外輻射帶峰值區域(L～4.0,4.4,4.6,5.0),外輻射帶內邊界區域(L～3.2,3.4,3.6,3.9),槽區(L～2.4,2.6,2.8).2011—2015年有多個時段表現出極低的環境擾動，其中在2014年5月至7月,環境擾動長時間保持極低水平狀態.2015年5月至7月背景環境則出現頻繁的強擾動，Dst指數最大達到～-133 nT，為2011—2015年期間最強的一起磁暴.

3.1 2014年5月10日至7月30日電子動態

2014年5月10日至7月30日，亞暴AE指數值持續低于400 nT，并偶有短時間超過300 nT的亞暴活動,磁暴Dst指數不超過-30 nT,太陽風速度大部分時間持續低于500 km·s-1，僅在6月9日前后出現超過500 km·s-1的擾動，但持續時間不超過2天(見圖4).從前面長期分布，電子在此期間長時間處于極低的通量水平，由此，可了解低水平環境擾動影響下的電子動態，為勾勒電子隨能量變化的區域分布及通量變化基礎特征提供參考.

圖5給出了2014年5月10日至7月30日不同能量電子對應不同L位置的時間-通量圖.由圖看到，在AE<300 nT,Dst>-30 nT,SW<500 km·s-1的低水平擾動影響下，電子通量動態變化能量主要集中于MeV以下，能量越低，變化越明顯.電子動態變化區域集中在外輻射帶，電子注入到不低于L～4的位置,通量峰值出現在靠近L～5的位置，并隨L變化呈現出明顯的梯度差異.太陽風被認為是輻射帶電子動態變化的主要驅動源，在外輻射帶外邊界區域，通量動態變化與太陽風起伏變化關聯顯著，表現出隨太陽風重現性周期變化特征，在太陽風速度減弱時通量減小，在太陽風速度增加時通量增大，能量越低的電子受太陽風的影響越顯著.越靠近地球的區域，電子通量動態變化需要更強、更復雜的擾動過程激發，亞暴活動增強會產生數十keV到數百keV的種子電子向地球方向傳輸，可以看到在Dst>-30 nT,SW<500 km·s-1保持上述擾動水平，亞暴短時增強到AE>300 nT，能量為0.15～0.35 MeV電子在L<4的區域產生響應注入增長,增大幅度超過1個量級.太陽風速度增強會驅動帶電粒子的徑向傳輸，有研究認為高通量的輻射帶電子通常與V>500 km·s-1的太陽風速度有關(Li et al.,2005;Kurita et al.,2018)，6月9日前后>500 km·s-1的太陽風誘導能量更高的0.35～0.65 MeV,0.65～1.2 MeV的電子在L<4的區域也出現了響應增大變化.在此期間，小幅短時增強的太陽風速度和亞暴活動并未導致1.2～2.0 MeV、2.0～5.7 MeV明顯的動態變化.

圖5 2014年5月至2014年7月期間0.15～0.35 MeV (a)、0.35～0.65 MeV (b)、0.65～1.2 MeV (c)和1.2～2.0 MeV(d)電子對應不同L位置的時序-通量變化Fig.5 Electron flux variations of 0.15～0.35 MeV (a)，0.35～0.65 MeV (b)，0.65～1.2 MeV (c) and 1.2～2.0 MeV (d) at different L locations during May to July,2014

3.2 2015年5月10日至7月10日電子動態

相較于上述2014年的環境擾動，2015年5月10日至7月10日記錄到三起磁暴,其中6月記錄到一起Dst達到-133 nT的強磁暴,其余兩起為-50 nT

由圖7可以看到，在強擾動影響下，電子區域和通量強度產生了明顯的變化，并因能量不同表現出明顯的響應差異.兩起-50 nT

三起磁暴期間，在外輻射帶外邊界區域，電子通量動態變化仍與太陽風起伏變化明顯關聯，在太陽風速度減弱時通量減小，在太陽風速度增加時通量增大，能量越低的電子受太陽風的影響越顯著.持續長時間強亞暴活動會使得種子電子出現更強、持續時間更長的注入，種子電子的顯著增強為輻射帶高能電子的產生提供了必要的來源.相較于2014年，顯著高通量水平的0.15～0.35 MeV種子電子會掩蓋由于亞暴產生的響應增強變化.兩起中小磁暴期間，伴隨持續>500 km·s-1的太陽風，能量0.15～0.35 MeV,0.35～0.65 MeV,0.65～1.2 MeV的電子在L<4的區域出現持續長時間，強度更強的響應增長變化，而1.2～2.0 MeV的電子則出現小幅度增強.電子動態明顯還與磁暴活動關聯，隨磁暴的發生在磁暴主相通量減小，在磁暴恢復相通量逐漸恢復并出現增強，能量越高這一關聯越明顯，對于0.15～0.35 MeV的種子電子并不明顯.6月的強磁暴對電子向更低L區域的注入和電子通量增強產生了顯著影響，該起強磁暴導致了能量至MeV以上的電子在槽區出現了明顯的動態增長，在L～2.8的位置電子通量增強超過1個量級.

大量在軌衛星的重要危害來自于>1 MeV以上的電子通量強的、長時間的增長，高能量的電子可穿透衛星進入航天器內部，在半導體和絕緣材料累計電荷，最終導致靜電放電和航天器異常甚至失效(Dorman et al., 2005;Singh et al., 2010).2011—2015年，>1 MeV以上的電子在外輻射帶區域的極強電子通量出現在L約3.5～3.9的位置，上述6月強磁暴期間電子峰值通量達到7×103cm-2·s-1·sr-1，但并不是最大強度.在2012年5月，7月和10月，2015年10月和11月還分別記錄到共五起峰值通量超過1×104cm-2·s-1·sr-1的強增強.增強期間對應的環境擾動條件:Dst約-80～-50 nT,SW約500～800 km·s-1,AE約500～900 nT，由此表明，磁暴強度并不直接與電子通量強度相關，電子動態變化是不同擾動變化產生的不同物理過程，如徑向擴散、ULF波和哨聲模波加速，庫侖碰撞產生的投擲角擴散、以及與不同等離子體波的相互作用(Meredith et al.,2001;Rae et al.,2012; Reeve et al.,2016)復雜綜合作用的結果，而不僅僅取決于簡單參數條件的變化.2011—2015年期間>1 MeV以上的電子在槽區低至L～2.8的顯著增長記錄有兩起，均出現在2015年，另一起出現在2015年的3月，期間發生一起Dst最小值到-105 nT磁暴.

4 結論

本文利用FY-3B衛星高能電子觀測數據總結分析了2011—2015年期間磁層內不同能量電子動態表現，結果顯示：

(1)較低能量的電子填充槽區和進入到內帶更低L區域的可能性更大.在所有的動態變化區域，低能量的電子比高能量的電子更容易出現增強.

(2)太陽風速度、地磁活動為影響電子通量變化和區域動態的主要控制因素，在太陽風速度、地磁活動擾動極弱的2014年，電子通量水平持續長時間處于極低水平，空間分布范圍極大地縮小，能譜分布集中在1 MeV以下.在2011年底到2012年初的部分時段、2013年初的部分時段在極弱擾動條件下，也出現了與2014年類似的動態分布.2015年大部分時間電子通量水平處于極高水平，空間分布大范圍擴散至槽區，1 MeV以上能量的電子比較明顯地增強出現在低至L～2.8的位置.0.15～0.35 MeV電子作為種子電子，分布在電子輻射帶的各個區域，在南大西洋異常區外中低緯度對應的內帶區域也存在動態變化.

圖6 2015年5月至7月太陽風速度、Dst指數、AE指數時序演化Fig.6 Solar wind speed, Dst index and AE index variations during May to July, 2015

圖7 2015年5月至2015年7月期間0.15～0.35 MeV (a)、0.35～0.65 MeV (b) 、0.65～1.2 MeV (c)和1.2～2.0 MeV (d)電子對應不同L位置的時序-通量變化Fig.7 Electron flux variations of 0.15～0.35 MeV (a) ， 0.35～0.65 MeV (b)，0.65～1.2 MeV (c) and 1.2～2.0 MeV (d) at different L locations during May to July, 2015

(3)在外輻射帶外邊界區域，通量動態變化與太陽風起伏變化關聯顯著，表現出隨太陽風重現性周期變化特征，在太陽風速度減弱時通量減小，在太陽風速度增加時通量增大，能量越低的電子受太陽風的影響越顯著.

(4)擾動強度變化會影響電子在外輻射帶的內邊界和峰值位置，在AE<300 nT,Dst>-30 nT,SW<500 km·s-1的持續長時間低水平擾動條件下，電子動態出現在不低于L～4的位置,通量峰值出現在靠近L～5的位置；而在太陽風速度和地磁活動顯著活躍的時候，電子甚至會穿越外輻射帶深入到槽區，在外輻射帶的通量峰值出現在L約3.5～3.9的位置.強磁暴的發生會使得電子向更低L注入，2011—2015年期間>1 MeV以上的電子在槽區低至L～2.8的顯著增大記錄有兩起，均出現在2015年，分別出現在2015年的3月和6月，Dst最小值分別達到-105 nT和-133 nT.在極低通量水平下，Dst>-30 nT,SW<500 km·s-1，AE短時增加超過300 nT的亞暴活動也會導致0.15～0.35 MeV電子超過1個量級的增長變化.

本文利用FY-3B衛星電子輻射實測通量數據，從能量、空間分布區域、對環境擾動參數響應等多個維度對2011—2015年期間的電子輻射動態展開了較為詳細的分析描述，分析周期處于極低太陽活動周，為認識電子輻射的基礎分布狀態提供了參考.在分析周期內強擾動現象有限，因此全面描述電子的動態還需要積累更多的實測數據.活躍的太陽和地磁擾動會產生各種復雜的物理過程影響和改變電子通量強度，本文僅就環境擾動參數對電子輻射在能量、空間區域產生的動態差異影響開展了分析，并沒有深入開展詳細的擾動參數變化導致電子動態的機理機制分析，這些工作將在后續研究中進一步開展.

致謝感謝國家氣象局提供的FY-3B衛星高能電子數據；感謝Kyoto大學WDC地磁臺站的Dst指數數據、AE指數數據，ACE/SWEPAM公布的太陽風數據，NOAA/GOES公布的太陽黑子數數據.