近日，空间科学攀登团队太阳爆发与射电技术课题组在地球外辐射带研究方面取得新进展，成果以“The evolutions of the seed and relativistic electrons in the Earth's outer radiation belt during the geomagnetic storms: A statistical study”为题已在国际著名地球物理期刊J. Geophys. Res. – Space Physics上正式发表 。课题组硕士研究生王旭为第一作者，课题组汤朝灵教授为通讯作者，武汉大学倪彬彬教授、中国科学技术大学苏振鹏教授、美国Staunch Data Analytics Lab张继春教授以及课题组硕士研究生陈景润和初鑫鑫为共同作者。本工作得到了国家自然基金委的资助。

地球外辐射带种子电子是指能量为100s keV的电子，其与哨声模合声波发生相互作用而被加速成为相对论电子（≥ 1 MeV）。相对论电子的增强可以导致灾害性空间天气，对于卫星和宇航员都有很大的威胁。我们2022年的工作（Wang et al. JGR, 2022）表明，磁暴主相期间种子电子通量可能增加、减少或者是不变。但是，主相之后种子电子通量如何变化、以及种子电子通量的变化是否会影响相对论电子通量变化等问题并不清楚。

本工作利用范艾伦探测器的数据，对45个磁暴事件中的种子电子和相对论电子通量演化特征进行了统计研究。基于不同的磁暴强度（SYM-Hmin）和磁暴主相持续时间（Δt），将磁暴事件分为中等且短事件（MS，−80 nT < SYM-Hmin ≤ −50 nT，Δt < 12 hr），中等且长事件（ML，−80 nT < SYM-Hmin ≤ −50 nT，Δt > 12 hr），强且短事件（SS，SYM-Hmin ≤ −80 nT，Δt < 12 hr）和强且长事件（SL，SYM-Hmin ≤ −80 nT，Δt > 12 hr）来研究磁暴主相持续时间和磁暴强度对于种子电子和相对论电子通量演化的影响。

统计结果表明，中等且短事件（MS）中种子电子通量增加时期为主相期间或磁暴峰值附近，相对论电子通量很难超过磁暴前的水平。中等且长事件（ML）中种子电子通量增加时期一般在主相期间，相对论电子通量在L*= 4.0,4.5和5.0处可以超过磁暴前的水平，且可以从主相期间开始增加。强且短事件（SS）中种子电子通量增加时期一般在主相或者是磁暴峰值附近，相对论电子通量一般在恢复相期间增加。强且长事件（SL）中种子电子通量一般在主相期间增加（见图1），相对论电子通量在L* = 3.5,4.0,4.5和5.0处可以超过磁暴前的水平，且从主相期间开始增加（见图2）。强且长事件（SL）中相对论电子通量在主相期间增加的原因是主相期间种子电子通量大幅度增加，使得有足够多的种子电子和哨声模合声波发生相互作用加速成为相对论电子，进而导致相对论电子通量的增加。

图1 强且长事件（SL）中种子电子通量演化特征

图2 强且长事件（SL）中相对论电子通量的演化特征

过去研究一般认为相对论电子通量是在恢复相期间开始增加的。但是，我们的统计结果表明如果在主相期间有足够多的种子电子和增强的哨声模合声波，相对论电子通量完全可以在磁暴主相期间开始增加。我们的工作表明，磁暴主相持续时间和磁暴强度对磁暴期间地球外辐射带种子电子和相对论电子通量的演化起到重要作用。这将有助于空间天气的预报。

文章链接：https://doi.org/10.1029/2023JA031284