高能电子暴的那些事

近期，中科院国家空间科学中心空间环境预报中心连续发布了多个高能电子暴的预报警报，事件一度达到了橙色警报级别。仅在9月4-6日，地球同步轨道大于2Mev高能电子日积分通量就已连续三天超过中等高能电子暴事件阈值（1.0E+09个/cm2﹒sr﹒day）。

那么，高能电子暴究竟是怎样一回事，它的来龙去脉又是怎么样的？今天，我们就作为科普知识，说道说道。

1、辐射带的相关概念

提起高能电子，首先不得不说他所处的一个环境，这就是我们经常提到的辐射带，也叫 Van Allen 带。

图1 地球辐射带（来源于 NASA）

辐射带中充满了被地磁场捕获的高能带电粒子，其中内辐射带（在磁赤道面上1.2R_E-2R_E，在子午面内的纬度范围约为40°，其中 R_E 为地球半径）主要由能量范围在0.1-400 Mev 的质子构成，外辐射带（载磁赤道面上3-7R_E，在子午面的纬度范围约为55°~70°）的主要成分则是0.04-7 Mev 的电子。内辐射带相对稳定，而外辐射带可就不那么“老实”了，其对磁层活动有明显的响应，比较活跃，变化较大。特别是地球外辐射带中能量在 Mev 的相对论电子，其通量在一些磁暴恢复相阶段会出现数量级的增长，引起所谓的“暴”事件。

地球同步轨道距地心大约6.6R_E，正好处在外辐射带电子的“浸泡”中，当高能电子暴来袭，你还能确保这条轨道上的卫星能够“安然无事”么？

2、高能电子暴的危害

高能电子暴是磁层常见的危害性空间天气，这在我们空间环境预报领域已经被列入了“重点关注”对象。高能电子（或称相对论电子）具有极强的穿透性，能够“毫无保留”的穿透卫星屏蔽层，沉积在卫星内部的电解质材料中，从而诱发介质内部的充电和放电，导致卫星的异常、故障甚至损坏。

高能带电粒子对航天器可以造成辐射损伤，引发单粒子效应和深层充电。其中，辐射损伤会造成航天器材料老化，如太阳能电池寿命降低，半导体器件性能衰退等；单粒子效应会造成航天器的控制电路发生逻辑错误，导致航天器失去控制，严重时导致报废；深层充电经常导致开关异常，它导致的放电脉冲会损坏微型材料及电子器件，导致卫星失控甚至报废。这样的事例在人类航天活动历史上有不少记载，这里就不过多赘述了。

3、高能电子暴事件的形成

高能电子的起源是此类事件爆发机制研究中的一个重点。关于它的起源，曾有两种不同的观点，外源模式以及内源模式。外源模式，顾名思义，是指地球外部，主张高能电子来自于地球之外，包括木星电子源和太阳风电子源两种；内源模式则认为高能电子来源于地球磁层内部的“种子电子”。作为笔者个人而言，更倾向于第二种观点。关于高能电子的形成、加速机制已初见端倪，但目前还尚在进一步研究之中,若要说明白了，还真如“滔滔江水，连绵不绝”，在此先卖个关子，若有兴趣的读者可以参考相关的论文。

图2 高能电子的加速

高能电子暴的形成和爆发与磁层活动密不可分，因此，用地磁活动与高能电子暴的相关性研究来进行事件的有效预报，正是相关学者研究和努力的方向。无论事件如何爆发，究其根源，都是由太阳这个巨大能量源引起的。太阳活动确实无时无刻不在影响着我们生活的这个环境。在其高年，大的太阳爆发活动就如同打了一个“喷嚏”，各种事件就会频频光顾地球；在其低年，看似平静的背后却也“暗潮涌动”，冕洞高速流也可以引起大的空间天气事件。

据预报中心人员分析，近期的高能电子暴事件，就是受到两个重现性冕洞高速流的相继影响导致地磁发生强烈扰动而引起的。就是在这么一个看似平静的外表下，太阳对地球发动了一次“突然袭击”。

图3 冕洞示意图（来源于空间环境预报中心）

最后，煽情地做个总结吧：无论你见与不见，太阳总在那里，她的喜怒哀乐，都将是你生活的一部分！

作者利刃，系中国科学院国家空间科学中心科研人员