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【张振霞,泽仁志玛,楚伟,申旭辉等Geophysical Research Letters论文 】基于张衡一号卫星观测的2018年磁暴期间在极低磁壳层由合声波chorus引起的相对论电子加速现象
来源:办公室 发布时间:2020-11-17

张振霞, 泽仁志玛,楚伟,申旭辉
应急管理部国家自然灾害防治ca661院, 空间信息ca661中心
(张振霞 zxzhang2018@163.com)

     2018年8月发生的大磁暴是张衡一号卫星发射以来遇到的第一个、也是最大的磁暴(Dst=-190)。张衡一号卫星搭载的高能粒子探测器观测到了此次磁暴期间在极低磁壳层激发的哨声波加速相对论电子这一稀有事件。并联合美国范阿伦卫星观测,基于准线性波粒相互作用理论,详细分析了合声波特征、电子相空间密度峰值演化,以及电子投掷角被加速前后的对比情况。相对比于其他卫星观测,这些结果的得出得益于张衡一号卫星高能粒子的能量、投掷角和通量的高分辨率的精确测量。
     地球辐射带指地球周围空间大量高能带电粒子的聚集区,又称为Van Allen辐射带,它分为内外两个带。内辐射带的中心位置到地心的距离约1.5个地球半径,外辐射带的中心离开地心距约在3-4个地球半径。内外辐射带被槽区分离,槽区的位置约在磁壳层L=3。 槽区一般被认为是由于向内的径向扩散和嘶声波Hiss引起的电子丢生达到平衡状态所致。内带中对卫星和宇航员的威胁主要来自高能的质子。外辐射带对卫星和宇航员的威胁主要来自高能的电子。所以ca661辐射带高能粒子的动态变化非常重要。
     辐射带中电子通量增强已经被观测到与地磁爆有关,甚至磁暴期间槽区也被填充。这个过程中很多问题引起了空间物理学家的ca661兴趣,比如中型磁暴期间能量大于5MeV的电子通量增高现象;大磁暴期间内辐射带中大于1MeV的高能电子通量增强现象等。
     此工作中,我们利用张衡一号卫星数据ca661了2018年8月份发生的大磁暴期间高能电子的通量演化。张衡一号卫星飞行高度507km, 是太阳同步极轨卫星,能够覆盖到很宽的磁壳层范围。图1是高能粒子探测器HEPP-L探测的能量范围在0.1-3MeV的电子通量在磁暴期间的演化。HEPP-L探测高能粒子能量共有256个能道,具有较高的能量分辨率和投掷角分辨率。具体高能粒子探测器性能指标和刻度可以参考文章(李新乔等,2019,Radiation Detection Technology and Methods)。由图可见,磁暴发生后,高能电子显著的填充了槽区和内辐射带。大磁暴期间,一般是外辐射被大量粒子填充的较多,这么强的电子深入填充内辐射带是比较罕见的。特别地,最有趣的是能量大于1MeV的电子通量增强仅发生在极低的磁壳层区域(L=2~4),填充了槽区和内辐射带。
     我们通过调查美国的范阿伦探针观测数据,发现磁暴发生时,等离子体层顶被严重向内压制到L~2.5, 这导致在较低的磁壳层由太阳风注入的能量电子(5-80 keV)激发了合声波(如图2)。我们利用波传播分析确认了右旋波的特性,如图3所示。通过准线性波粒相互作用理论,基于观测通过高斯拟合得到了chorus波的各项参数(包括波振幅、频率、宽度),我们计算了chorus波与高能电子发生波粒相互作用的弹跳平均的扩散系数(包括投掷角扩散系数,能量扩散系数和混合项)(如图4)。发现扩散系数反应的波粒相互作用与卫星观测一致性很好。在较低的投掷角范围,在极低磁壳层L~3 chorus波的确能够加速相对论电子。
     另外,通过ca661高能电子在chorus波发生前后的粒子相空间分布,能够在波激发的同时观测到显著的相空间峰值peak的出现(图5),而这个峰值的位置也正好是从L =3 开始发生。这些现象都印证了张衡一号卫星和范阿伦卫星对在极低磁壳层由合声波引起的相对论电子加速现象这一事件。
张衡一号卫星搭载的高能粒子探测器观测到了磁暴期间在极低磁壳层激发的哨声波加速相对论电子这一稀有事件,充分证明了张衡一号卫星搭载的高能粒子探测器观测数据具有高度的可靠性和精确度,这些结果的得出得益于张衡一号卫星高能粒子的能量、投掷角和通量的高分辨率的精确测量,这项ca661工作也促进科学家对地球辐射带物理的ca661进行更加深入的理解。
     这一成果发表在国际期刊Geophysical Research Letters:
Zhang, Z., Chen, L., Liu, S., Xiong, Y., Li, X., Wang, Y., … Zeren Z., Chu W., Shen X. (2020). Chorus acceleration of relativistic electrons in extremely low L-shell during geomagnetic storm of August 2018. Geophysical Research Letters, 47, e2019GL086226. https://doi.org/10. 1029/2019GL086226

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Figure 1. 张衡一号卫星高能粒子探测器在2018年8月份磁暴期间对高能电子通量演化的观测分布。

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Figure 2. 范阿伦探针观测的磁暴期间激发的chorus波和高能粒子的通量增强。

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Figure 3. chorus波的波矢量分析结果。

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Figure 4. 波粒相互作用中准线性扩散系数分布。

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