2011—2015年辐射带电子动态FY-3B卫星实测结果

王春琴， 张贤国, 沈国红， 张珅毅, 张效信， 黄聪， 李兴冀

1 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190 2 天基空间环境探测北京市重点实验室， 北京 100190 3 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室, 北京 100190 4 中国气象局国家空间天气监测预警中心， 北京 100081 5 哈尔滨工业大学， 哈尔滨 150001

0 引言

磁层捕获电子通常被认为分布在内带(在赤道面测量距地球中心约2～2.5个地球半径以内，中心在1.5个地球半径附近)和外带(在赤道面测量距地球中心约3～7个地球半径，中心在4～5个地球半径).外辐射带分布着～100 keV到≥10 MeV的宽能谱电子，内带分布着大量低、中能量的电子，存在极少MeV以上能量的相对论电子(Blake et al., 2015，Li et al., 2015; Fennell et al., 2015).内带和外带之间(L≈2～3),由‘槽区’隔离，‘槽区’在地磁平静期间电子通量水平极低，通常被认为是500 keV以上电子的耗空区(Summers et al., 2004)，高能量的电子相对稀少.上述电子内磁层的分布是理想静态环境下的描述，事实上，日地空间是高动态的环境，受环境扰动影响电子在内磁层表现出复杂的动态变化，电子空间区域分布和通量水平完全不同于上述静态图像.外辐射带动态变化剧烈，时间变化尺度多样，从几小时到一个太阳周(Baker and Kanekal，2008；Baker and Blake，2012)，受磁暴影响MeV电子在这一区域还存在双带分布结构(Baker et al.,2013)；在相对‘温和’的槽区，强空间天气事件期间会被大量中等能量的电子填充(Tu et al.,2009;Zhao and Li, 2013;Turner et al., 2015; Kavanagh et al., 2018)，受强磁暴影响在该区域还会出现MeV以上的电子的填充，如1991年3月的强磁暴，2003年10月到11月期间强磁暴导致的MeV电子的显著长时间填充事件(Blake et al.,1992；Looper et al., 2004).内辐射带相对稳定，但强环境扰动仍会导致几十到几百keV的电子在该区域出现增强(Ma et al., 2017)，有研究发现强磁暴甚至会导致MeV电子穿越槽区进入到内带区域(Blake et al. 2001; Baker et al., 2007).

FY-3B卫星为极轨系列卫星之一，轨道高度约800 km，倾角约90°，轨道周期不超过2 h，在一天内可以多次覆盖低L到高L的整个辐射带区域.星上安装有宽能谱高能电子探测器，探测数据可支持开展内磁层不同L区域的电子区域动态和通量分布研究.FY-3B卫星高能电子探测器自2010年11月开机工作，至2016年6月因星上供电不足探测仪器关机，由此获取了超过5年的高能电子连续观测数据.仪器工作时段处于第24周太阳活动周，太阳黑子记录表明该太阳活动周为近5个太阳活动周(自1963年以来)太阳活动水平最低的一个周期，对轨道空间粒子辐射有着显著影响的太阳风速度、地磁活动等扰动在该周期内活跃程度减弱，常呈现极低扰动状态(Riley and Love,2017),连续长时间的电子探测数据有助于深入了解这一特殊周期内扰动对轨道空间电子环境动态的影响.

本文利用FY-3B卫星高能电子观测数据，给出第24周太阳活动周期内，2011年至2015年不同能量电子通量在辐射带的时间和空间动态表现.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个典型时段内，以AE指数、Dst指数和太阳风速度为代表的环境扰动参数变化对不同能量高能电子通量在辐射带不同区域分布产生的可能影响.

1 探测仪器及数据筛选

FY-3B卫星是继我国FY-1系列卫星后的第二代极轨气象卫星“风云三号气象卫星”的第二颗.星上粒子探测器继承了FY-1系列空间粒子探测器的设计(Wang et al.,2020)，并进一步发展研制出了具有精细能谱探测的高能电子探测器.FY-3B卫星高能电子探测器传感器由3片半导体探测器叠加组成，传感器经准直构成40°的探测张角.通过测量带电粒子在传感器中损失能量所产生的电荷脉冲，确定入射电子能量和通量.在对电荷脉冲幅度进行测量分析时，通过设置去质子阈值，排除质子对电子测量的干扰，确保电子测量的准确性.探测仪器设置了5道电子微分能道，分别为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，通过地面定标和仿真试验得到各能道能档划分精度优于10%，通量精度优于25%，探测仪器本底噪声<50 cm-2·s-1·sr-1.高能电子探测器安装在卫星正Y面(背阳方向)，因此，探测数据主要为投掷角集中在90°附近的捕获带电粒子.

FY-3B卫星高能电子数据包含5道高能电子微分方向通量，通量单位cm-2·s-1·sr-1，时间分辨率为2 s.探测数据与国外多颗同类卫星NOAA-15、16、17、18、19和MetOp-02同期高能电子探测数据开展了交叉比较，对于相同空间物理现象，FY-3B电子数据与同类数据具有一致的趋势和量值响应(Wang et al.,2013; Zhang et al.,2018)，因此，FY-3B电子探测数据可有效、可靠用于开展轨道空间的电子动态研究.

对于FY-3B轨道而言，卫星经历的高能电子辐射空间分布和对应的辐射带位置(采用IGRF磁场模型计算获取L)如图1所示：经度100°W—60°E，纬度50°S—10°N的南大西洋异常区，对应电子内辐射带；高纬度区域，全经度带状分布，对应L>3的外辐射带；中低纬度区域，特定经度范围的多带状分布，对应槽区和更低L内带区域，其中内带区域电子强度显著低于南大西洋异常区.南大西洋异常区是内辐射带电子峰值通量的分布区域，该区域电子长期存在且相对稳定(Miyoshi et al.,2004).在南纬区域，槽区电子分布会与异常区融合在一起.因此，本文尽可能剔除南大西洋异常区强通量对观测数据动态分析的影响，数据筛选条件：在北纬，纬度>10°N.在南纬，分三个条件筛选，经度>60°E；经度<100°W；经度100°W—60°E且L>3.筛选出的电子通量数据按0.02L×1天作平均.为反映环境扰动参数对电子区域动态的影响，文中还用到了5 min分辨的太阳风速度数据、AE指数数据和Dst指数数据，参数数据来源http:∥cdaweb.gsfc.nasa.gov/，并对参数数据作相应的日平均处理.

图1 FY-3B卫星观测到的>150 keV电子通量空间分布Fig.1 Electron flux distribution of >150 keV observed by FY-3B satellite

2 2011—2015年电子通量观测结果

图2a—2e从上到下分别给出2011—2015年期间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道电子日平均通量情况，横坐标为时间，覆盖2011—2015年；纵坐标为L.各能道通量强度大小通过不同颜色表示，图中电子通量最小阈值均设为50 cm-2·s-1·sr-1，以该阈值确认电子通量最小动态响应变化.0.15～0.35 MeV，0.35～0.65 MeV, 0.65～1.2 MeV,3道电子最大通量设置为5×105cm-2·s-1·sr-1，1.2～2.0 MeV电子最大通量设置为2×104cm-2·s-1·sr-1,2.0～5.7 MeV电子最大通量设置为1×103cm-2·s-1·sr-1,超过最大通量阈值用灰色表示，由此来反映不同能量电子在分析时段内可达到的峰值通量水平.白色空白的部分由于轨道有误，在此不用于开展分析.图2f—2h为对应时间段内的地磁活动AE指数、Dst指数和太阳风速度参数.

从分布区域来看，2011—2015年期间，0.15～0.35 MeV电子的通量分布出现在电子辐射带的各个区域，0.35～0.65 MeV电子主要出现在槽区和外辐射带，0.65～1.2 MeV电子在槽区的分布逐渐减少，集中分布于外辐射带，而1.2 MeV以上的电子则更多地以外辐射带分布为主，有很少量槽区的注入，但并不明显.区域分布反映出较低能量电子填充槽区并注入到内带区域与能量有关，较低能量的电子更容易从高L注入到低L，高能量增强常常伴随着低能量的增强，但低能量的增强并不一定有高能量的增强，这一结果在相关的研究中得到了证实(Reeves et al.,2016).

从通量强度来看，在外辐射带区域，0.15～0.35 MeV，0.35～0.65 MeV和0.65～1.2 MeV的电子通量变化频繁，表现出短时间、剧烈增强变化，最大增强幅度超过1个量级，电子日均峰值强度在105cm-2·s-1·sr-1，1.2 MeV电子通量显著的增强变化减少，最大增强幅度超过1个量级，峰值强度在104cm-2·s-1·sr-1，而2.0～5.7 MeV电子通量仅出现为数极少的几起增强变化，峰值强度小于103cm-2·s-1·sr-1.

电子通量在外辐射带区域的峰值位置、内边界位置不同，急剧增强的电子通量峰值位置、内边界位置更靠近低L区域，而极弱变化的电子通量峰值位置、内边界位置则出现在较高的L区域.在槽区，0.15～0.35 MeV电子依然表现出相对活跃，相对剧烈的增强变化，峰值强度可达到外带水平.0.35～0.65 MeV电子增强变化逐渐减少并明显减弱，峰值强度显著低于外带水平.0.65～1.2 MeV电子通量增强变化显著减少，且峰值强度极大地弱于外带水平.>1.2 MeV的电子在此期间在靠近外辐射带的小范围区域有少量分布.在L<2的内带区域，仅有0.15～0.35 MeV电子通量有分布，呈现出2个峰值区域，一个在L～1.3,峰值通量不超过103cm-2·s-1·sr-1，另一个在L约1.6～1.8，峰值强度不超过104cm-2·s-1·sr-1，低于外辐射带和槽区，见图4.

整体而言，外辐射带的电子通量表现出高动态变化，在槽区和内带区域动态变化明显减弱，能量越低动态变化越频繁，2014年电子通量水平持续长时间处于极低水平，空间分布范围极大地缩小至L>4的外辐射带，能量超过MeV的电子通量甚至低于50 cm-2·s-1·sr-1.在2011底到2012年初的部分时段、2013年初的部分时段也出现了与2014年类似的极低通量、极小范围的分布.2015年大部分时间电子通量水平处于极高水平，空间分布大范围扩散至整个槽区.相似的分布还出现在2012年中期和2013年年中期的部分时段.这一动态结果与RBSP/REPT同期MeV电子动态结果相似(Baker et al.,2019)，说明2011年至2015年期间不同能量电子的整体演化趋势是一致的.对照同期的环境参数，可以看到在极低通量分布的几个时段内，太阳风速度持续保持在<500 km·s-1极低水平，Dst指数持续保持在>-50 nT和AE指数保持在<500 nT，均处于极低扰动水平.由此，太阳风速度、地磁活动为影响电子通量变化和区域动态的主要控制因素，多项研究中已有证实(Li et al., 2005; Lyatsky and Khazanov, 2008; Reeveset al., 2011).从图3中可以看到0.15～0.35 MeV的电子在内带区域的动态，与槽区、外辐射带动态有所不同，主要呈现出持续长时间的周期变化，这一变化趋势与亚暴活动长时间周期变化趋势有着相对明显的关联.早期低轨道卫星也有类似观测，研究认为这一区域电子动态的产生与VLF波释放有关(Grachev et al.,2005; Grigoryanet al.,2006,2008)，而在中纬度和极区不同类型的VLF波的释放活动与亚暴活动有着紧密的联系(Liang et al.,2009; Lubchich et al., 2006).

图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电子日平均通量L-时间变化及同期AE指数、Dst指数和太阳风速度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

图3 0.15～0.35 MeV电子日平均通量L-时间变化及同期AE指数、Dst指数和太阳风速度Fig.3 L-time variations of daily average electron flux of 0.15～0.35 MeV and AE index in the same period

图4 2014年5月至7月太阳风速度、Dst指数、AE指数时序演化Fig.4 Solar wind speed, Dst index and AE index variations during May to July, 2014

3 不同环境扰动时段电子响应动态

选择2014年5月10日至7月30日，2015年5月10日至7月10日两个时段展开具体的电子通量动态分析，深入了解电子受不同环境扰动影响下在不同L区域，随不同能量的响应差异，分别取外辐射带外边界区域(L～6.0,6.2,6.5,6.7)，外辐射带峰值区域(L～4.0,4.4,4.6,5.0),外辐射带内边界区域(L～3.2,3.4,3.6,3.9),槽区(L～2.4,2.6,2.8).2011—2015年有多个时段表现出极低的环境扰动，其中在2014年5月至7月,环境扰动长时间保持极低水平状态.2015年5月至7月背景环境则出现频繁的强扰动，Dst指数最大达到～-133 nT，为2011—2015年期间最强的一起磁暴.

3.1 2014年5月10日至7月30日电子动态

2014年5月10日至7月30日，亚暴AE指数值持续低于400 nT，并偶有短时间超过300 nT的亚暴活动,磁暴Dst指数不超过-30 nT,太阳风速度大部分时间持续低于500 km·s-1，仅在6月9日前后出现超过500 km·s-1的扰动，但持续时间不超过2天(见图4).从前面长期分布，电子在此期间长时间处于极低的通量水平，由此，可了解低水平环境扰动影响下的电子动态，为勾勒电子随能量变化的区域分布及通量变化基础特征提供参考.

图5给出了2014年5月10日至7月30日不同能量电子对应不同L位置的时间-通量图.由图看到，在AE<300 nT,Dst>-30 nT,SW<500 km·s-1的低水平扰动影响下，电子通量动态变化能量主要集中于MeV以下，能量越低，变化越明显.电子动态变化区域集中在外辐射带，电子注入到不低于L～4的位置,通量峰值出现在靠近L～5的位置，并随L变化呈现出明显的梯度差异.太阳风被认为是辐射带电子动态变化的主要驱动源，在外辐射带外边界区域，通量动态变化与太阳风起伏变化关联显著，表现出随太阳风重现性周期变化特征，在太阳风速度减弱时通量减小，在太阳风速度增加时通量增大，能量越低的电子受太阳风的影响越显著.越靠近地球的区域，电子通量动态变化需要更强、更复杂的扰动过程激发，亚暴活动增强会产生数十keV到数百keV的种子电子向地球方向传输，可以看到在Dst>-30 nT,SW<500 km·s-1保持上述扰动水平，亚暴短时增强到AE>300 nT，能量为0.15～0.35 MeV电子在L<4的区域产生响应注入增长,增大幅度超过1个量级.太阳风速度增强会驱动带电粒子的径向传输，有研究认为高通量的辐射带电子通常与V>500 km·s-1的太阳风速度有关(Li et al.,2005;Kurita et al.,2018)，6月9日前后>500 km·s-1的太阳风诱导能量更高的0.35～0.65 MeV,0.65～1.2 MeV的电子在L<4的区域也出现了响应增大变化.在此期间，小幅短时增强的太阳风速度和亚暴活动并未导致1.2～2.0 MeV、2.0～5.7 MeV明显的动态变化.

图5 2014年5月至2014年7月期间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)电子对应不同L位置的时序-通量变化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日电子动态

相较于上述2014年的环境扰动，2015年5月10日至7月10日记录到三起磁暴,其中6月记录到一起Dst达到-133 nT的强磁暴,其余两起为-50 nT

由图7可以看到，在强扰动影响下，电子区域和通量强度产生了明显的变化，并因能量不同表现出明显的响应差异.两起-50 nT

三起磁暴期间，在外辐射带外边界区域，电子通量动态变化仍与太阳风起伏变化明显关联，在太阳风速度减弱时通量减小，在太阳风速度增加时通量增大，能量越低的电子受太阳风的影响越显著.持续长时间强亚暴活动会使得种子电子出现更强、持续时间更长的注入，种子电子的显著增强为辐射带高能电子的产生提供了必要的来源.相较于2014年，显著高通量水平的0.15～0.35 MeV种子电子会掩盖由于亚暴产生的响应增强变化.两起中小磁暴期间，伴随持续>500 km·s-1的太阳风，能量0.15～0.35 MeV,0.35～0.65 MeV,0.65～1.2 MeV的电子在L<4的区域出现持续长时间，强度更强的响应增长变化，而1.2～2.0 MeV的电子则出现小幅度增强.电子动态明显还与磁暴活动关联，随磁暴的发生在磁暴主相通量减小，在磁暴恢复相通量逐渐恢复并出现增强，能量越高这一关联越明显，对于0.15～0.35 MeV的种子电子并不明显.6月的强磁暴对电子向更低L区域的注入和电子通量增强产生了显著影响，该起强磁暴导致了能量至MeV以上的电子在槽区出现了明显的动态增长，在L～2.8的位置电子通量增强超过1个量级.

大量在轨卫星的重要危害来自于>1 MeV以上的电子通量强的、长时间的增长，高能量的电子可穿透卫星进入航天器内部，在半导体和绝缘材料累计电荷，最终导致静电放电和航天器异常甚至失效(Dorman et al., 2005;Singh et al., 2010).2011—2015年，>1 MeV以上的电子在外辐射带区域的极强电子通量出现在L约3.5～3.9的位置，上述6月强磁暴期间电子峰值通量达到7×103cm-2·s-1·sr-1，但并不是最大强度.在2012年5月，7月和10月，2015年10月和11月还分别记录到共五起峰值通量超过1×104cm-2·s-1·sr-1的强增强.增强期间对应的环境扰动条件:Dst约-80～-50 nT,SW约500～800 km·s-1,AE约500～900 nT，由此表明，磁暴强度并不直接与电子通量强度相关，电子动态变化是不同扰动变化产生的不同物理过程，如径向扩散、ULF波和哨声模波加速，库仑碰撞产生的投掷角扩散、以及与不同等离子体波的相互作用(Meredith et al.,2001;Rae et al.,2012; Reeve et al.,2016)复杂综合作用的结果，而不仅仅取决于简单参数条件的变化.2011—2015年期间>1 MeV以上的电子在槽区低至L～2.8的显著增长记录有两起，均出现在2015年，另一起出现在2015年的3月，期间发生一起Dst最小值到-105 nT磁暴.

4 结论

本文利用FY-3B卫星高能电子观测数据总结分析了2011—2015年期间磁层内不同能量电子动态表现，结果显示：

(1)较低能量的电子填充槽区和进入到内带更低L区域的可能性更大.在所有的动态变化区域，低能量的电子比高能量的电子更容易出现增强.

(2)太阳风速度、地磁活动为影响电子通量变化和区域动态的主要控制因素，在太阳风速度、地磁活动扰动极弱的2014年，电子通量水平持续长时间处于极低水平，空间分布范围极大地缩小，能谱分布集中在1 MeV以下.在2011年底到2012年初的部分时段、2013年初的部分时段在极弱扰动条件下，也出现了与2014年类似的动态分布.2015年大部分时间电子通量水平处于极高水平，空间分布大范围扩散至槽区，1 MeV以上能量的电子比较明显地增强出现在低至L～2.8的位置.0.15～0.35 MeV电子作为种子电子，分布在电子辐射带的各个区域，在南大西洋异常区外中低纬度对应的内带区域也存在动态变化.

图6 2015年5月至7月太阳风速度、Dst指数、AE指数时序演化Fig.6 Solar wind speed, Dst index and AE index variations during May to July, 2015

图7 2015年5月至2015年7月期间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)电子对应不同L位置的时序-通量变化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)在外辐射带外边界区域，通量动态变化与太阳风起伏变化关联显著，表现出随太阳风重现性周期变化特征，在太阳风速度减弱时通量减小，在太阳风速度增加时通量增大，能量越低的电子受太阳风的影响越显著.

(4)扰动强度变化会影响电子在外辐射带的内边界和峰值位置，在AE<300 nT,Dst>-30 nT,SW<500 km·s-1的持续长时间低水平扰动条件下，电子动态出现在不低于L～4的位置,通量峰值出现在靠近L～5的位置；而在太阳风速度和地磁活动显著活跃的时候，电子甚至会穿越外辐射带深入到槽区，在外辐射带的通量峰值出现在L约3.5～3.9的位置.强磁暴的发生会使得电子向更低L注入，2011—2015年期间>1 MeV以上的电子在槽区低至L～2.8的显著增大记录有两起，均出现在2015年，分别出现在2015年的3月和6月，Dst最小值分别达到-105 nT和-133 nT.在极低通量水平下，Dst>-30 nT,SW<500 km·s-1，AE短时增加超过300 nT的亚暴活动也会导致0.15～0.35 MeV电子超过1个量级的增长变化.

本文利用FY-3B卫星电子辐射实测通量数据，从能量、空间分布区域、对环境扰动参数响应等多个维度对2011—2015年期间的电子辐射动态展开了较为详细的分析描述，分析周期处于极低太阳活动周，为认识电子辐射的基础分布状态提供了参考.在分析周期内强扰动现象有限，因此全面描述电子的动态还需要积累更多的实测数据.活跃的太阳和地磁扰动会产生各种复杂的物理过程影响和改变电子通量强度，本文仅就环境扰动参数对电子辐射在能量、空间区域产生的动态差异影响开展了分析，并没有深入开展详细的扰动参数变化导致电子动态的机理机制分析，这些工作将在后续研究中进一步开展.

致谢感谢国家气象局提供的FY-3B卫星高能电子数据；感谢Kyoto大学WDC地磁台站的Dst指数数据、AE指数数据，ACE/SWEPAM公布的太阳风数据，NOAA/GOES公布的太阳黑子数数据.