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磁层相对论电子通量增强事件的观测和理论研究

李柳元  
【摘要】:当日冕物质抛射/磁云(CME/MC)、共转相互作用区(CIR)、行星际激波(IS)、太阳风高速流( V SW≥500km.s~(-1))或南向行星际磁场作用地球磁层时,磁层中常常会产生磁暴/亚暴活动和各种等离子体波活动。在此期间,外辐射带( 3 ≤L ≤7)中的高能电子通量会出现显著的变化。典型地,在磁暴主相期间,相对论电子(能量大于1MeV)的通量减小;在磁暴恢复相期间,相对论电子的通量出现不同程度的增长。但是,只有在一部分磁暴恢复相期间,相对论电子的通量才能增长到超过暴前水平的10 ~10~3倍,这种现象通常叫做磁层相对论电子通量增强事件。由于这种高能量电子的高通量在磁层中持续时间很长,它可以造成了卫星的深层充电,从而使卫星工作异常甚至完全毁坏。所以对磁层相对论电子的来源、加速、相对论电子的通量增强事件的发生和发展规律的研究具有非常重要的意义,它可以为预报这种灾害性空间天气事件提供可靠的理论依据。 为了更清楚地认识磁层相对论电子通量的变化规律、相对论电子通量增强事件产生的行星际扰动条件和地磁条件。本文联合分析了ACE 飞船、GOES10 和LANL卫星在2003 年7~8 月和10~11 月期间对行星际总磁场、行星际磁场南北向分量、太阳风速度和太阳风高能电子通量的变化、地球同步轨道高度相对论电子通量变化的测量数据以及日本Kyoto 地磁数据中心给出的Dst 指数和AE 指数的变化情况。数据分析结果发现:(1)磁暴期间磁层相对论电子通量的变化与太阳风中的高能电子通量变化没有一对一的关系,即使太阳风中的高能电子( 38 ~315keV)通量值为零,外辐射带中也会发生相对论电子通量增强事件;相反,即使太阳风中的高能电子通量出现巨大的增长,磁层相对论电子通量值也会衰减到零附近,这说明磁层相对论电子通量增强事件的爆发跟太阳风高能电子增长事件没有关系。(2)磁层相对论电子通量增强事件和磁暴并不是一对一的关系。磁暴期间Dst 绝热效应是造成磁层相对论电子通量主相下降和恢复相上升的一个重要因素。但是在磁暴恢复相期间,相对论电子通量的增强与否与磁暴强弱或其恢复相长短无关。(3)在有磁层相对论电子通量增强事件爆发的磁暴主相和恢复相期间,行星际磁场通常有持续几天的南向分量,同时,太阳风速度一直保持在500km.s~(-1)以上,直到磁暴活动结束。(4)能量低于300keV 电子的通量在磁暴主相期间就会增长,这可能是磁层压缩或亚暴活动注入电子造成的结果;磁暴恢复相期间,能量低于300keV 的亚暴电子的通量越高,相对论电子的通量越高,反之,相对论电子的通量越低。 已有的观测研究说明,外辐射带相对论电子通量增长是全球性的,相对论电子通量的峰值在L =4~5附近;而且在伴随有相对论电子通量增强事件的磁暴/亚暴期间,磁层中常常观测哨声模波或低频快模波(即频率在Pc4 至Pc5 范围内的压缩ULF 波)活动。这说明磁层相对论电子通量增长事件可能主要由磁层当地的一些波-粒共振相互作用过程(非绝热加速)造成的。为了验证这些波对电子加速的可能性和加速能力,我们在准线性理论近似下对波-粒共振相互作用的动量扩散方程(即Fokker-Planck 方程)进行了数值计算。计算结果反映了磁暴/亚暴过程中可能出现的三种情况: 首先,当磁暴/亚暴过程中缺乏压缩ULF 湍流(低频快模波)或者在磁层中


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