暴时内辐射带高能质子的损失和恢复机制探究

陈洋， 邹鸿， 陈鸿飞， 于向前， 施伟红

北京大学地球与空间科学学院， 北京　100871



暴时内辐射带高能质子的损失和恢复机制探究

陈洋， 邹鸿*， 陈鸿飞， 于向前， 施伟红

北京大学地球与空间科学学院， 北京100871

摘要我们利用NOAA17卫星对内辐射带高能质子的观测结果研究了大磁暴期间内辐射带质子通量的变化过程.我们发现内辐射带质子出现两种不同的暴时损失事件.在大磁暴发生时，内辐射带外边界质子通量会迅速减小，然后缓慢恢复；而在内辐射带中心区的质子通量(即南大西洋异常区(SAA)质子通量最大值)的暴时变化表现为质子通量的一个迅速的减小和迅速恢复.内辐射带外边界的损失事件主要发生在较低能量质子能档，而内辐射带中心处的损失事件发生在所有质子能档.两种损失事件中质子通量的不同变化意味着内辐射带质子可能有不同的损失和产生机制.通过分析，我们认为内辐射带外边界处质子通量损失事件主要由磁场曲率散射机制造成，而其恢复机制主要是宇宙线反照中子衰变(CRAND).内辐射带中心区(即南大西洋异常区质子通量最大处)质子通量损失事件可能与Dst效应有关.

关键词南大西洋异常区； 内辐射带质子； 磁暴； 边界损失事件； 中心损失事件； 恢复机制

1引言

由于诸多航天器运行在辐射带区域，地球辐射带中高能粒子的动态变化一直是空间物理和空间辐射环境研究的一个热点.当前辐射带研究的热点主要是外辐射带的动态变化.外辐射带(3

相比之下，内辐射带质子被认为更为稳定，其变化主要是随11年的太阳活动周期变化(Li et al., 2001)，Miyoshi等(2000)发现地球大气和电离层的变化对低高度内辐射带质子的长期变化有影响.但近年来内辐射带的短期变化引起了越来越多的重视.一些研究表明剧烈的磁扰动的影响可能会扩展到L值很低的区域.在2003年3月底的剧烈地磁活动区间，有能量达到几十MeV的电子和质子被突然注入到L=3的区域(Blake et al., 1992).根据太阳异常磁层粒子探索者(SAMPEX)卫星的观测结果，Looper等(2005)发现在2003年10月底到11月初发生的著名的‘Halloween’事件期间，在L=2的区域19～29 MeV和86～120 MeV的质子几乎完全消失了，并提出这些质子的损失可能是由于磁场曲率散射和加热大气密度增加导致的库仑碰撞频率增加造成的.Selesnick等(2010)在HEO-3卫星从1998年到2005年共8年的长期观测结果中发现了更多的内辐射带质子损失事件.在大磁暴发生时，内辐射带外边界区域(L=2～3)的较低能量质子会迅速消失，形成损失事件，随后质子通量缓慢恢复到暴前水平.对于Dst<-100 nT的大磁暴来说，损失事件所在的L值范围与最小Dst值有关.这些损失事件可以向内扩展到L=2的区域，而这些事件向内扩展能达到的最小L值不随三个质子通道(8.5～35 MeV, 16～40 MeV和27～45 MeV)的能量变化.Selesnick等(2010)利用暴时动态地磁场模型模拟了内辐射带质子的磁场曲率散射过程，发现在内辐射带外边界发生的质子损失事件可部分由大磁暴时出现的磁场曲率散射解释.

Zou等(2011)利用运行于太阳同步轨道的NOAA-POES卫星(NOAA-15，-16 和-17)的长期观测结果，研究了内辐射带质子的暴时变化.在大磁暴时，更高能量质子(35～70 MeV，70～140 MeV和140～500 MeV)在内辐射带外边界也出现损失事件.NOAA卫星观测的35～70 MeV和70～140 MeV两个能段的质子损失事件与HEO-3的观测类似：在磁暴主相，内辐射带外边界的质子通量迅速减小，然后质子通量缓慢恢复，其恢复期可长达数月.然而，NOAA卫星观测的140～500 MeV质子在内辐射带外边界几乎未出现损失事件.这说明内辐射带外边界处质子的暴时变化与质子能量有关.

实际上，被低地球轨道卫星观测到的内辐射带质子主要分布在南大西洋异常区.由于地磁偶极轴与地球自转轴不重合，内辐射带被捕获粒子在南大西洋异常区可以降低到低高度，形成高带电粒子辐射区.因此，地磁场的长期变化可以导致南大西洋异常区带电粒子分布特征的变化.SAA带电粒子分布特征的长期变化已经被很多研究所证实.一个典型的例子就是SAA中心位置的长期变化.SAA中心位置可由地磁场、带电粒子通量或辐射效应的分布获得(Konradi et al., 1994; Laurients et al., 1995; Badhwar et al., 1996; Heynderickx, 1996; Badhwar, 1997; Grigoryan et al., 2008).所有这些研究结果表明随着地磁场的长期演化，SAA中心有向西漂移的趋势.另一个重点研究的SAA特征是质子通量的长期变化.根据低地球轨道卫星的观测结果，SAA质子通量长期变化与F10.7太阳活动呈反相关(Huston et al., 1996; Miyoshi et al., 2000; Li et al., 2001; Qin et al., 2014).在以往的研究中，获取SAA特征的方法通常是用类高斯函数拟合长时间累积的粒子通量随地理经度或纬度的分布.在传统方法中，粒子通量至少需要累积1个月，因此该方法无法获得SAA参数的短期变化.

为了获取SAA参数的短期变化，我们(Zou et al., 2015)提出了5天数据滑动窗口方法，并利用该方法对NOAA-POES卫星从1998年到2005年的观测到的高能质子进行了研究.我们发现在大磁暴时，SAA的质子通量分布特征(maxSAA和areaSAA，即SAA最大质子通量和SAA面积)出现明显的暴时短期变化，即在磁暴主相SAA参数迅速减小(～10%)，然后在磁暴恢复相迅速恢复.实际上SAA最大质子通量，一般指在SAA中心处的质子通量，也就是内辐射带中心质子通量.而根据我们的研究结果，内辐射带中心出现的质子损失事件与内辐射带边界的质子损失事件在时间响应上存在差异.这种差异有可能与内辐射带不同位置质子的损失和恢复机制有关.

本文考察了从2003年到2006年几次大磁暴期间NOAA POES卫星观测到的三个积分能量(>35 MeV, >70 MeV和>140 MeV)质子通量在内辐射带外边界和中心处的损失事件，并探讨了在内辐射带不同位置出现的质子损失事件中质子通量损失和恢复涉及到的可能物理机制.

2仪器数据

本文所使用的质子通量数据来自于NOAA17卫星上中能质子电子探测器(MEPED)的P7,P8和P9三个全向质子探测器.该卫星的发射时间为2002年6月，一直运行到2013年4月.本文主要使用了这颗卫星从2003年到2006年的观测数据.NOAA17卫星运行在高度约为840 km的太阳同步轨道.每个全向探测器的传感器都有一块3 mm厚、灵敏面积为50 mm2的硅面磊型固体探测器.P7探测器外面覆盖有一个2.13 mm厚的铜屏蔽层，可测量的最小质子能量为35 MeV，视场角为120°.P8探测器外面覆盖有一个4.57 mm厚的钨屏蔽层，可测量的最小质子能量为70 MeV，视场角为180°.P9探测器外面覆盖有一个14.96 mm厚的钨屏蔽层，可测量的最小质子能量为140 MeV，视场角为180°.P8和P9探测器的钨屏蔽层可以阻止能量小于10 MeV的相对论电子入射其固体探测器(Evans et al., 2008).全向探测器安装的朝向为垂直地球表面径向向外.三个积分能档>35 MeV, >70 MeV 和>140 MeV的质子通量可由P7，P8和P9探测器的计数率计算得到(Evans and Greer, 2004).我们使用的Dst指数来自于国家地球物理数据中心(NGDC)(http:∥spidr.ngdc.noaa.gov/spidr/).为了分析加热大气碰撞机制的影响，我们使用了CHAMP卫星对地球表面大约400 km高度的中性大气密度的观测数据.

3观测结果

3.1内辐射带外边界的暴时损失事件

为了研究内辐射带外边界的暴时质子通量损失事件，我们对NOAA17卫星在不同L值点观测的三个积分能档质子通量进行了日平均.L值取值范围为1到7，间隔为0.1.则在同一天内所有落在某个L值范围(如L=1.0～1.1)内的质子通量被取平均值，该质子通量平均值对应的L值为1.05，对应的时间为同一天内所有数据观测时间的平均值，由此我们可以得到每天对应的质子通量随L值的分布.图1显示了2003年1月1日到2006年12月31日NOAA17卫星观测到的>35 MeV、>70 MeV和>140 MeV质子通量随L值和时间的分布.图中显示的L值范围为1到2.5，即内辐射带质子分布范围.从图1中我们可以看到在2003年到2004年的几次大磁暴期间，>35 MeV质子在内辐射带外边界出现明显的通量损失事件.>70 MeV质子在内辐射带外边界也出现通量损失事件，但不如>35 MeV质子明显.>140 MeV质子在内辐射带外边界基本上看不出存在通量损失事件.

为了进一步了解内辐射带质子通量的暴时响应，我们研究了内辐射带外边界某个L值处的质子通量随时间的变化.根据图1所示，在内辐射带不同能量的质子分布在不同的L值范围.根据磁场曲率散射理论(Zou et al., 2011)，能量越高的质子可以被稳定捕获的L值边界越低.对于>35 MeV、>70 MeV和>140 MeV质子，我们分别选择了L值等于2.15、1.95和1.75(如图1中白色虚线所示)做为这三个能档质子的内辐射带外边界.

图2显示了>35 MeV、>70 MeV和>140 MeV质子分别在L值等于2.15、1.95和1.75处的质子通量随时间的变化.为了对比，我们也显示了同一时间范围内的Dst指数随时间的变化.从图2可以看到，对于Dst<-100 nT的大磁暴，>35 MeV和>70 MeV的质子在内辐射带外边界出现明显的损失事件.而>140 MeV质子通量基本不受磁暴影响.另外，从图2我们可以进一步确定这些损失事件的时间响应特性，即在磁暴主相质子通量有一个非常迅速的减小，然后跟随一个非常缓慢的通量恢复过程.对于两个较低能档质子来说，质子通量从2003年10月的大磁暴开始迅速减小，经过几次大磁暴的作用，一直到2006年3月才完全恢复.

根据图1和图2所示，我们可以总结磁暴时内辐射带外边界的质子通量损失事件的特点：(1) 在大磁暴时，较低能量的质子在内辐射带外边界会出现明显的损失事件，而高能质子则无明显暴时响应；(2) 内辐射带外边界的质子损失事件中，质子通量迅速减小，然后缓慢恢复.

图1　2003年到2006年NOAA17卫星观测的三个积分能档的日均质子通量随L值和时间的变化 (a)、(b)和(c)分别为>35 MeV、>70 MeV和>140 MeV质子通量分布.图中横坐标为世界时，纵坐标为L值.质子微分通量单位为protons/cm2/s/sr.颜色代表了质子微分通量的对数值.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.

图2　三个积分能档质子在内辐射带外边界的通量随时间的变化与Dst指数随时间变化的比较 (a) >35 MeV质子在L=2.15的通量随时间变化; (b) >70 MeV质子在L=1.95的通量随时间变化; (c) >140 MeV质子在L=1.75的通量随时间变化; (d) Dst指数随时间变化.质子微分通量单位为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南大西洋异常区的暴时响应

实际上，NOAA17卫星能够观测到内辐射带质子的区域主要集中在南大西洋异常区(简称异常区).以前的异常区研究中，为了确定异常区参数(如异常区中心位置、异常区中心最大通量和异常区尺寸等)，需要累计长时间数据(通常超过一个月)以确保对异常区具有足够的数据覆盖率.而由此获得的异常区参数随时间的变化只能反映异常区的长期演化，而不能获得其参数的短期变化.为了研究内辐射带质子在异常区的暴时响应，我们发展了一种5天滑动数据窗口的方法(Zou et al., 2015)来获取两个主要的异常区参数：maxSAA(异常区中质子通量最大值)和areaSAA(异常区面积).在该方法中，我们选取NOAA卫星观测的5天数据.这一数据长度即可以满足对异常区的最小数据覆盖率需求，同时也可以使异常区参数的短期变化不会被平均掉.通过以下三个步骤可以从5天数据中获取异常区参数maxSAA和areaSAA：首先，根据地理参数条件(经度范围：-150°～60°；纬度范围：-60°～30°；L值范围：L<2.0)，挑选出地理位置在异常区中的质子通量数据；然后通过表面拟合方法将被选出的数据插值到分辨率为0.5°×0.5°的一个地理经纬度网格点阵中(421×181点阵).点阵中每一个点代表一个0.5°×0.5°正方形面元(该面元以该点为中心)；最后从被投影好的数据矩阵中获得maxSAA和areaSAA.maxSAA即该数据网格点中质子通量最大值，单位为protons·cm-2·s-1·sr-1.为了获取areaSAA，我们需要设定一个阈值通量.在经纬度点阵中，质子通量超过该阈值通量的所有点代表的面元之和被认为是areaSAA.areaSAA是中心点质子通量超过阈值通量的面元的个数(通常用1°×1°的正方形面元数量表示).实际上，在NOAA17卫星的平均轨道高度(840 km)，一个面元的面积大约为3963.2 km2，因此areaSAA单位也可以换算为km2.这两个异常区参数对应的时间为这5天的中间时刻.通过5天数据覆盖时间窗口的滑动，我们可以获得每日的异常区两个参数.

图3显示了利用上述方法从NOAA17在地磁平静期观测到的累计5天(2003年10月5日至9日)的>70 MeV质子通量数据中获取maxSAA和areaSAA的例子.在本例中为了获得areaSAA，我们选择的阈值通量为10protons·cm-2·s-1·sr-1.由此，得到maxSAA和areaSAA分别为381.3(单位为protons·cm-2·s-1·sr-1)和3448.25(单位为1°×1°面元的个数).这两个异常区参数对应的时间为2003年10月7日12时.

图3　NOAA17卫星在地磁活动平静时(2003年10月5日—9日)观测的>70 MeV质子通量在全球的分布(a)和利用5天滑动窗口法获得的在异常区的分布(b).在2003年10月5日至9日期间，日平均Dst指数的变化范围为-9～5 nT.图中颜色代表了质子微分通量的对数值.为了方便计算，areaSAA表示的是面元1°×1°的数量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.

利用五天滑动数据窗口的方法，我们从2003年1月1日到2006年12月31日NOAA17卫星观测的>70 MeV质子通量数据中获取了异常区参数.图4显示了maxSAA和areaSAA随时间的变化.从图4，我们可以看到异常区参数maxSAA和areaSAA在大磁暴期间有明显的暴时响应.即两个异常区参数在磁暴主相(Dst指数减小)迅速减小，而在磁暴恢复相随着Dst指数的恢复而迅速恢复.maxSAA的暴时响应由于受到一种120天准周期变化干扰而显得不是很清晰，但在2003到2004几次大的磁暴中其暴时变化还是比较明显的.areaSAA在几次大磁暴中有非常明显的暴时变化，而且对几次Dst值大于-100 nT的磁暴也比较敏感.

图4　从2003年到2006年NOAA17卫星观测的>70 MeV质子通量数据中获得的异常区参数和日平均Dst指数随时间变化 (a) maxSAA参数; (b) areaSAA参数; (c) 日均Dst指数.为了减小数据覆盖率不足导致的小尺度扰动，我们对两个异常区参数进行了5点滑动平均.maxSAA的单位为protons·cm-2·s-1·sr-1，areasSAA的单位是1°×1°面元的数量.图中箭头 指出了日均Dst指数小于-100 nT的大磁暴对应的异常区参数的暴时效应.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

根据我们以前的分析(Zou et al., 2015)，maxSAA随时间变化中出现的120天准周期变化主要由NOAA17卫星轨道高度的周期变化引起.但是在areaSAA随时间的变化中看不到类似的周期变化.NOAA17卫星轨道高度的周期变化对两个异常区参数影响不同的原因我们在以前的研究中也进行了分析(Zou et al., 2015).造成这种差异的主要原因是高能质子通量在异常区边界和中心区域的分布特点不同.在异常区边界，质子通量的等值线是垂直分布的，而异常区中心区域质子通量等值线是接近水平分布的.因此当卫星轨道高度发生波动时，在异常区边界高度变化对质子通量的影响不大，而在异常区中心区却相对较大.areaSAA是质子通量超过某个阈值的面元数量，由于在异常区边界质子通量随高度变化不大，因此areaSAA对卫星轨道高度的变化也不大.另外，除了暴时短期和120天准周期变化，从图4中我们还可以看到两个异常区参数基值从2003年到2006年有一个整体增加的长期变化趋势.两个异常区参数的长期变化实际上反映了内辐射带质子通量的太阳周期变化，这与以前的研究结果是一致的(Miyoshi et al., 2000；Li et al., 2001；Qin et al., 2014).

为了了解不同能档质子通量的异常区参数的暴时响应，我们将5天滑动数据窗口方法应用于NOAA17观测的>35 MeV和>140 MeV质子通量数据.图5比较了>35 MeV、>70 MeV和>140 MeV质子的两个异常区参数在2004年随时间的变化.从图5中我们可以看到3个能档质子的两个异常区参数在2004年的两次大磁暴中出现明显的损失事件.根据定义，maxSAA是异常区范围内质子通量的最大值也即内辐射带质子通量最大值.根据内辐射带质子通量随L值的分布(Zou et al., 2011)，质子通量最大值通常在内辐射带中心区域，L值范围在1.3～1.4.而areaSAA是质子通量超过阈值的面元数量，实际上反映的是异常区中高通量质子通量分布的面积.在以前的研究中(Zou et al., 2011)，对于>35 MeV、>70 MeV和>140 MeV这3个能档质子的areaSAA参数，我们尝试选择不同的阈值通量(5，10，50和100 protons·cm-2·s-1·sr-1).发现用不同阈值通量获得的areaSAA参数显示了同样的暴时响应(见Zou et al., 2015中的图8).这反映了靠近异常区中心区域(即内辐射中心区域)的高通量质子在大磁暴时出现的损失事件的特点.

根据图4和图5，我们可以总结大磁暴时异常区中心区域(即内辐射带中心区域)的质子通量损失事件的特点：(1)在大磁暴时，所有3个能档质子在内辐射带中心区域都会出现明显的损失事件，即该损失事件与质子能量无关；(2)内辐射带中心区域的质子损失事件中，质子通量迅速减小，然后迅速恢复(5天以内).

比较在大磁暴期间内辐射带外边界的质子损失事件和南大西洋异常区中心区域的损失事件，我们发现这两种事件具有不同的特点：内辐射带外边界的质子损失事件只出现在较低能档质子中，而异常区中心的损失事件在所有能档质子中均出现；两种事件的暴时时间响应不同，外边界损失事件中质子通量迅速下降然后缓慢恢复，而异常区中心损失事件中质子通量迅速下降然后迅速恢复.这两种损失事件的差异意味着内辐射带不同区域存在不同的质子产生(恢复)和损失机制.在下一节中我们将详细讨论与这两种损失事件有关的内辐射带质子产生和损失机制.

4讨论

4.1内辐射带外边界质子暴时损失和恢复机制

对于内辐射带外边界质子暴时损失事件，目前主流观点认为其成因主要与地磁场在磁暴时出现的磁场曲率散射损失机制有关(Selesnick et al., 2010; Zou et al., 2011; Engel et al., 2015).在大磁暴发生时，地磁扰动会导致磁场线结构的剧烈变化.部分磁场线被拉伸，导致靠近磁赤道的磁场曲率半径变小.当磁场曲率半径减小到可以与被捕获质子回旋半径相比较时，被捕获质子的第一绝热不变量(μ)被破坏，导致质子的失捕获.因此，这一机制被称为磁场线曲率散射或μ散射(Hudson et al., 1997; Young et al., 2008).Selesnick等(2010)利用暴时地磁场模型TS04c(Tsyganenko and Sitnov, 2005)模拟计算了在2000年4月6日的磁暴中由磁场曲率散射造成的内辐射带外边界质子的损失，并与HEO卫星对同一事件的实际观测进行了比较.他们发现磁场曲率散射只能解释HEO卫星观测的部分质子损失.模拟获得的出现质子损失的最小L值比实测的大.另外在模拟的损失事件中，不同能档质子出现损失的最小L值不同，而HEO卫星观测的损失事件的最小L值几乎不随质子能量变化.Zou等(Zou et al., 2011)利用辐射带模型AP8和暴时地磁场模型TS04c对NOAA卫星在2004年11月9日的大磁暴中观测到的内辐射带外边界质子事件进行了模拟计算.模拟结果表明磁场曲率散射机制会造成35～70 MeV和70～140 MeV两个较低能档质子在内辐射带外边界的通量损失，而140～500 MeV质子通量在内辐射带外边界没有明显下降，这与NOAA17卫星的实际观测结果基本一致.但是实测的35～70 MeV低能档质子的暴时损失比模拟结果大，这与Selesnick等对HEO卫星观测的三个低能档质子(8.5～35 MeV, 16～40 MeV和27～45 MeV)的模拟结果类似.最近，Engel等(2015)利用测试粒子方法模拟了2000年4月6日磁暴中内辐射带质子的磁场曲率散射过程，并在模拟过程中增加了由变化磁场产生的感应电场.模拟结果表明，感应电场项的引入可以增加内辐射带外边界的质子损失，使模拟的磁场曲率散射损失更接近HEO卫星的观测结果.

从图1和图2我们可以看到，在大磁暴发生时，NOAA17卫星观测的两个较低能档(>35 MeV和>70 MeV)质子通量迅速减小后，会出现一个缓慢恢复的过程.根据HEO卫星的观测结果，2003年10月的Halloween事件后，内辐射带外边界质子通量的恢复时间长达数月(Selesnick et al., 2010).而根据图2中上面两个小图所示，NOAA17卫星观测的两个低能档质子通量在Halloween事件中损失后，开始缓慢恢复.但质子通量还未恢复到暴前水平时，2004年后的几次磁暴使内辐射带外边界的质子通量再次损失，直到2006年才完全恢复到暴前通量水平.大磁暴后内辐射带外边界质子通量损失事件后的恢复过程实际上与内辐射带质子产生机制有关.

已知内辐射带质子的主要来源包括宇宙射线反照中子衰变(CRAND)(Albert et al., 1998)和被捕获的太阳质子(Selesnick et al., 2007, 2010, 2014).CRAND被认为是内辐射带高能(>30 MeV)质子和其他内辐射带中下层(L<1.7)质子的主要来源(Singer, 1958; Stephen, 1973; Jentsch, 1981; Selesnick et al., 2007, 2010, 2013, 2014).近期Mazur等(2013)通过Van Allen Probe卫星的相对论质子谱仪(RPS)发现在内辐射带中包含极高能量的质子、重离子和反物质成分，这些成分只可能来源于宇宙射线的自电离或宇宙射线与大气原子核子的碰撞，所以内辐射带高能质子应主要来源于宇宙射线.宇宙射线和地球上层大气成分(如N或O核子)发生碰撞以后，通过裂变产生中子.它们通过β衰变产生质子，然后其中一部分质子会被地磁场所捕获，而另一部分则沉降到大气层中损失掉(Mazur et al., 2013).大量观测结果表明在大太阳质子事件或磁暴期间，太阳高能质子可以注入到L>2的内辐射带区域(Lorentzen et al., 2002; Hudson et al., 2004; Mazur et al., 2006)，因此被捕获的太阳质子也是内辐射带外边界质子的另一种来源(Selesnick et al., 2007, 2010, 2013, 2014).

为了了解内辐射带外边界质子损失事件的恢复机制，Selesnick等(2013)对2003年11月大磁暴期间HEO卫星观测的27～45 MeV质子在内辐射带外边界出现的损失事件的恢复过程进行了蒙特卡洛模拟.在模拟过程中，Selesnick等考虑了两种情况.一种情况是在内辐射带外边界被磁暴“清空”的情况下，只考虑不同L值处地球大气分层与宇宙线相互作用，由CRAND机制产生的局地被捕获质子源随时间的累计过程；而另一种情况是在第一种情况的基础上，加上内辐射带中心背景质子通量模型并考虑径向扩散和被捕获太阳质子等复杂物理过程的情况.模拟结果表明，在内辐射带外边界的主要区域(2.4

根据以上分析，我们可以认为在大磁暴时在内辐射带外边界发生的质子通量损失事件中质子通量的突然减小主要由地磁场结构变化导致的磁场曲率散射机制导致，且磁场曲率散射机制能解释不同能档质子的暴时响应的差异；而随后质子通量的缓慢恢复则体现了内辐射带外边界被磁暴清空后，CRAND机制产生的被捕获质子通量随时间的累计过程.

4.2南大西洋异常区中心区域质子暴时损失和恢复机制

根据图4和图5所示，在大磁暴期间异常区中心区域出现的质子损失事件的特点是质子通量的迅速减小和迅速恢复，且这种特点体现在NOAA17卫星的所有三个能档质子观测中，这与发生在内辐射带外边界的质子损失事件的特点存在差异.异常区中心区域一般可以认为是内辐射带中心区域，这意味着内辐射带中心区域的质子存在不同的暴时损失和恢复机制.与小L值处的地磁场相比，大L值处的地磁场结构在大磁暴中更容易出现形变，进而导致磁场曲率散射.因此磁场曲率散射机制一般发生在内辐射带外边界.而异常区内质子最大通量，即maxSAA，一般出现在内辐射带L<1.5的中性区域.因此，内辐射带中心区域的质子损失事件不可能由磁场曲率散射机制造成.

从4.1节的分析可知，内辐射带中心区域被捕获质子的来源主要是CRAND.在大磁暴期间，由于行星际磁场变强会造成宇宙线通量的减小.这种现象被称为Forbush效应(Lockwood et al., 1971).内辐射带中心区域的质子暴时损失事件是否可能由于宇宙线的Forbush效应造成呢？实际上如果不考虑磁暴效应，内辐射带质子通量通常被认为是非常稳定的.这意味着CRAND机制产生质子的速度与内辐射带质子损失的速度是接近的.而在地磁平均期，内辐射带被捕获质子的损失主要与被捕获质子与大气层、电离层以及磁层的粒子发生电荷交换和库仑碰撞损失和质子径向扩散有关，而这些损失的时间尺度都是年量级的(Selesnick et al., 2007, 2010).因此CRAND机制产生质子的速度是很慢的，这一点从内辐射带外边界质子损失事件的长恢复时间可以体现出来.因此在大磁暴期间，宇宙线的Forbush效应实际上是不可能影响到内辐射带质子暴时通量的.

Looper等(2005)还提出过另一种暴时内辐射带质子损失机制，即磁暴导致增强的大气密度可影响内辐射带质子通量.由于太阳辐射的增强及沉降粒子对地球中高层大气的加热，中高层大气密度有可能在磁暴期间增大.而增加的大气密度会提高内辐射带质子与大气层粒子相互作用的几率，从而使质子损失率增加.为了评估中性大气密度对高能质子损失造成的影响，我们考察了CHAMP卫星在2004年观测的中性大气密度.图6显示了基于CHAMP卫星在异常区范围的观测数据获得的400 km高度中性大气密度日平均值和Dst指数随时间的变化.可见，中性大气密度与Dst指数具有很好的相关性.在磁暴主相，随着Dst指数减小，中性大气密度可以增加数倍.在磁暴恢复相，随着Dst指数增加，中性大气密度也会迅速减小.这与图4和图5显示的异常区参数的暴时响应非常相似.因此，磁暴导致中高层大气密度增加这一机制可用于解释内辐射带中心区域质子的暴时损失.但是，内辐射带质子通量在磁暴恢复相的迅速恢复很难用现有的辐射带质子产生机制解释.

从图4和图5可见，内辐射带中心质子最大通量，maxSAA，在磁暴恢复相会迅速恢复(1～2天).而内辐射带中心区域质子的主要产生机制是CRAND.但根据上面的分析，CRAND机制产生质子的速度很慢，很难用于解释maxSAA在磁暴恢复相的迅速恢复.

还有一种机制可以影响暴时辐射带粒子通量随时间的变化，这就是Dst效应.利用位于地球同步轨道的洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL, Los Alamos National Laboratory)卫星的带电粒子分析仪(CPA, Charged Particle Analyzer)的观测结果，Kim和Chan(1997)发现在1993年11月的磁暴过程中，外辐射带电子通量出现一个与Dst指数类似的时间响应(即在磁暴主相电子通量迅速下降，而在磁暴恢复相电子通量迅速增加).他们认为在地球同步轨道观测到的高能电子通量变化可以用辐射带被捕获电子对磁暴时地磁场变化引发的全绝热响应来解释，即所谓的Dst效应.辐射带电子通量绝热变化是指在电子通量变化过程中，电子处于被捕获状态且其三个绝热不变量在变化过程中守恒.实际上，在磁暴主相环电流强度的持续增加会造成内磁层磁场强度的减小以及被捕获粒子漂移轨道所围面积内的磁通量减小.若磁场变化的时间尺度远大于粒子的漂移周期，则被捕获粒子将改变其漂移路径并保持三个绝热不变量守恒.被捕获粒子为了保持磁通(第三绝热不变量)守恒，则其漂移轨道需要向外移动到对应L值更大的漂移壳.而地磁场强度随距离磁轴的中心距离增加而迅速衰减，因此在L值更大的漂移壳，地磁场强度降低.为了保持磁矩(第一绝热不变量)守恒，被捕获粒子的动能将减小.因此，在磁暴主相，为了保持绝热不变量守恒，被捕获电子漂移壳的外扩和能量的减小造成了观测到的高能电子通量的减小.而在磁暴恢复相，由于地磁场扰动源的逐渐减弱，内磁层磁场强度逐渐恢复.同样为了保持磁通和磁矩守恒，被捕获质子会向小L值的漂移壳上移动同时能量增加，这导致了高能电子通量的恢复.由于一些非绝热加速机制(如波动加速)，在磁暴恢复相高能电子通量往往可以增加到远高于暴前的水平(Kim and Chan, 1997).

由上面描述可见，Dst效应造成的外辐射带电子通量随时间变化的特点是在磁暴主相电子通量迅速减小，在磁暴恢复相电子通量迅速恢复(1～2天).这样的暴时时间响应与我们获得的内辐射带(异常区)中心区域质子损失事件的暴时时间响应非常相似.那么Dst效应是否可以用于解释内辐射带中心区域质子损失事件呢？辐射带被捕获粒子保持三个绝热不变量守恒的判断条件是磁暴时磁场变化的时间尺度远大于被捕获粒子的漂移周期.根据Kim和Chan的研究(1997)，在地球同步轨道处1 MeV能量电子是满足这一要求的.根据经典的单粒子轨道理论(涂传诒等，1988)，在地球同步轨道(L=6.6)处能量为1 MeV的被捕获电子的漂移周期为5.931×102s.而对于动能远小于m0C2的捕获质子，其在赤道内的漂移周期可表示为

(1)

其中m0为质子静止质量，C为光速，Td为漂移周期(单位为min)，L为所在漂移壳对应的L值，EK为质子垂直于磁场的动能(单位为MeV).根据(1)式，NOAA17观测的最小能量质子，35 MeV质子在内辐射带中心(L=1.5)的漂移周期约为0.84 min，即约50 s.而且随着质子通量的增加，其漂移周期会进一步减小.从上面的计数结果，内辐射带被捕获>35 MeV质子可以满足绝热变化条件，即在磁暴过程中在内辐射带中心被捕获的>35 MeV质子可以保持三个绝热不变量守恒.因此Dst效应同样适用于内辐射带被捕获质子.对于能量更高(如>70 MeV和>140 MeV)的质子,其漂移周期更短，同样满足绝热变化条件，因此也会出现Dst效应.

综上所述，在磁暴时，Dst效应会造成外辐射带电子通量的迅速下降和迅速恢复.这种暴时响应与我们在内辐射带中心获得的质子通量的暴时响应相似.而内辐射带被捕获质子满足产生Dst效应的条件(在暴时可以保持三个绝热不变量守恒).Engel等(2015)也指出Dst效应可能导致内辐射带质子的恢复.因此我们认为造成内辐射带中心区域质子通量在磁暴主相迅速下降，在磁暴恢复相迅速恢复的主要因素是内辐射带被捕获质子对暴时内磁层磁场变化的绝热响应，即Dst效应.

5总结

我们利用NOAA-POES卫星对内辐射带高能质子的观测结果研究了大磁暴发生后内辐射带外边界和中心区域质子通量的变化过程.在发生大磁暴时，被捕获质子在内辐射带外边界和内辐射带中心区域出现两种不同的损失事件.在大磁暴发生时，内辐射带外边界质子通量会迅速减小，然后缓慢恢复，其恢复时间可以长达1年，且这种损失事件一般只存在于较低能档(>35 MeV和>70 MeV)质子的内辐射带外边界分布中，而在高能档(>140 MeV)质子的分布中几乎看不到损失事件；在内辐射带中心区的质子通量(即南大西洋异常区质子通量最大值)损失事件的特点不同于内辐射带外边界质子损失事件，其暴时变化表现为质子通量的一个迅速的减小和迅速恢复(1～2天)，且内辐射带中心的质子损失事件在所有能档质子通量中都明显存在.两种损失事件中质子通量的不同变化意味着内辐射带质子可能有不同的损失和产生机制.通过分析，我们认为造成内辐射带外边界质子损失事件中质子通量迅速减小的主要原因是暴时地磁场结构变化导致磁场曲率散射机制，而其后质子通量的缓慢恢复主要是由CRAND机制产生的质子对内辐射带外边界的补充；而在内辐射带中心区域的质子损失事件中，质子通量的迅速减小和迅速恢复则很可能与内辐射带被捕获质子对暴时内磁层磁场变化的绝热响应(即Dst效应)有关.

致谢我们感谢NOAA空间天气预报中心提供NOAA卫星MEPED仪器数据，同时感谢NGDC提供的地磁场数据以及E. K. Sutton提供CHAMP卫星数据.

图5　2004年NOAA17卫星观测的>35 MeV、>70 MeV和>140 MeV质子的两个异常区参数随时间的变化(引自Zou et al., 2015的图7) (a) 列为maxSAA参数; (b) 列为areaSAA参数.上图为>35 MeV质子的异常区参数，中图为>70 MeV质子的异常区参数，下图为>140 MeV质子的异常区参数.maxSAA的单位为protons·cm-2·s-1·sr-1，areasSAA的单位是1°×1°面元的数量.对三个质子能档，获得areaSAA所需设定的阈值通量同为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

图6　2004年CHAMP卫星在异常区范围观测到的中性大气密度归一化到400 km高度的中性大气密度的日平均值(a)与Dst指数(b)随时间的变化.中性大气密度的单位是kg·m-3，Dst指数的单位为nT. 选择的异常区范围为经度范围：-90°～0°，纬度范围：-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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附中文参考文献

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(本文编辑胡素芳)

基金项目国家自然科学基金(41374167)资助.

作者简介陈洋，男，1991年生，硕士生，研究方向为内辐射带质子变化特性. E-mail:1301210279@pku.edu.cn *通讯作者邹鸿，男，1975年生，副教授，主要从事行星科学、磁层物理和空间探测研究. E-mail: hongzou@pku.edu.cn

doi:10.6038/cjg20160702 中图分类号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

陈洋，邹鸿，陈鸿飞等. 2016. 暴时内辐射带高能质子的损失和恢复机制探究. 地球物理学报，59(7):2344-2355,doi:10.6038/cjg20160702.

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