早期的衛(wèi)星探索發(fā)現(xiàn)，環(huán)繞地球周?chē)嬖趦蓚€(gè)能捕獲帶電粒子的輻射帶，即范·艾倫輻射帶。范·艾倫輻射帶主要是由地磁場(chǎng)捕獲的高達(dá)幾兆電子伏電子以及高達(dá)幾百兆電子伏質(zhì)子形成，分為內(nèi)輻射帶和外輻射帶。太陽(yáng)風(fēng)和地球磁層相互作用會(huì)影響范·艾倫輻射帶的電子和質(zhì)子特性，會(huì)對(duì)衛(wèi)星和載人航天等空間飛行器產(chǎn)生嚴(yán)重危害。目前對(duì)輻射帶內(nèi)相對(duì)論電子變化機(jī)制尚不清楚，圍繞該方向的研究一直是空間物理的前沿和熱點(diǎn)課題。美國(guó)還發(fā)射了“范·艾倫探測(cè)器“衛(wèi)星對(duì)輻射帶進(jìn)行專(zhuān)門(mén)探測(cè)。

　　中國(guó)科學(xué)院南美空間天氣實(shí)驗(yàn)室博士后利賈·阿爾維斯·達(dá)席爾瓦（Ligia Alves da Silva），中方導(dǎo)師空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王赤院士以及史建魁研究員，聯(lián)合巴西國(guó)家空間研究院利維亞·里貝羅（Livia Ribeiro Alves）等研究人員，利用范·艾倫探測(cè)器的相對(duì)論電子-質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡（Relativistic Electron-Proton Telescope -REPT）、先進(jìn)成分探測(cè)器（Advanced Composition Explorer-ACE）衛(wèi)星搭載的磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和太陽(yáng)風(fēng)電子質(zhì)子和阿爾法粒子監(jiān)測(cè)儀(SWEPAM)、國(guó)際極光地磁效應(yīng)監(jiān)測(cè)儀（International Monitor for Auroral Geomagnetic Effects –IMAGE）等監(jiān)測(cè)儀器的數(shù)據(jù)，并結(jié)合THEMIS衛(wèi)星的探測(cè)，分析研究了太陽(yáng)風(fēng)高速流事件期間超低頻（Ultralow Frequency-ULF）波對(duì)范艾倫輻射帶的作用。

　　研究團(tuán)隊(duì)首先分析了高速度和低密度太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層的相互作用，結(jié)果顯示在此次太陽(yáng)風(fēng)高速流事件期間，大量的太陽(yáng)風(fēng)輸運(yùn)到磁層，進(jìn)而產(chǎn)生對(duì)輻射帶的影響，磁層頂磁重聯(lián)是這次事件中能量傳輸?shù)闹饕獧C(jī)制；接著，根據(jù)范·艾倫探針衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析，研究了超低頻波的功率譜密度，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸烙?jì)了超低頻波的徑向擴(kuò)散系數(shù)，量化了超低頻波對(duì)輻射帶全球性恢復(fù)的作用；根據(jù)約束電子運(yùn)動(dòng)的μ，K和L*參數(shù)函數(shù)計(jì)算了相空間密度（PhSD），通過(guò)檢查PhSD與L*的徑向梯度，確定了在外輻射帶電子通量整體恢復(fù)過(guò)程中ULF波驅(qū)動(dòng)的向內(nèi)徑向擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)機(jī)制（見(jiàn)圖一）。

　　為研究太陽(yáng)風(fēng)高速流期間ULF波驅(qū)動(dòng)的徑向擴(kuò)散對(duì)電子通量的增強(qiáng)作用，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)2014年9月高速低密度太陽(yáng)風(fēng)流通過(guò)時(shí)范艾倫探針衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，對(duì)通過(guò)前后的情況進(jìn)行比對(duì)分析，估算出ULF波功率譜密度（PSD），研究了被激發(fā)的ULF波對(duì)外輻射帶強(qiáng)度和極化模式的影響。分析結(jié)果表明，范·艾倫輻射帶的恢復(fù)，與高速流之前的特性，以及持續(xù)的亞暴活動(dòng)的發(fā)生相吻合。

　　圖一：REPT觀測(cè)到的相對(duì)論電子（2.10 MeV）全向通量和L *參數(shù)（a）；L *5.3 RE處四個(gè)能道的電子通量（b）；拉格朗日點(diǎn)L1處的太陽(yáng)風(fēng)速度Vp（c）；IMFBt及其南北分量Bz（d）；IMFBx和IMFBy分量（e）。

　　研究團(tuán)隊(duì)還根據(jù)地基和空間衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合磁流體動(dòng)力學(xué)(MHD)模擬，研究了ULF波徑向擴(kuò)散。結(jié)果表明，隨著外輻射帶中電子通量的逐漸增加，同時(shí)ULF波活動(dòng)性也隨之增強(qiáng)，并從較高的L殼層擴(kuò)散到較低的L殼層。MHD模擬結(jié)果與在磁尾中觀察到的ULF波活動(dòng)性相吻合，這些觀測(cè)結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖喾?，同時(shí)在太陽(yáng)風(fēng)高速流后輻射帶全球性恢復(fù)期的相空間密度(PhSD)計(jì)算結(jié)果也與觀測(cè)相一致（見(jiàn)圖二）。

　　圖二：范艾倫探針衛(wèi)星在不同軌道相觀測(cè)到的高能電子相空間密度徑向分布及其時(shí)間演化

　　研究結(jié)果表明，范艾倫探針衛(wèi)星觀測(cè)到的低強(qiáng)度極向波模的波-粒共振相互作用導(dǎo)致了外輻射帶的高能電子重聚。研究論文在學(xué)術(shù)期刊《地球物理研究：空間物理學(xué)》（Journal of Geophysical Research: Space Physics）上在線發(fā)表，并位列該期刊2018-2019年下載量排行榜前百分之十。此成果還被美國(guó)宇航局THEMIS衛(wèi)星計(jì)劃列為2019年重要研究亮點(diǎn)，并在其官網(wǎng)上報(bào)道。

      論文鏈接：https://doi.org/10.1029/2018JA026184

　　文章引用：Da Silva, L. A., Sibeck, D., Alves, L. R., Souza, V. M., Jauer, P. R., Claudepierre,S. G., et al. (2019). Contribution of ULF wave activity to the global recovery of the outer radiation belt during the passage of a high‐speed solar wind stream observed in September 2014. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 124.

      注：封面圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò) 百家號(hào)/天文在線

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