高能电子暴预报

　　 太阳风暴发生时，地球外辐射带经常会发生高能电子暴事件，这对于运行在地球同步轨道的卫星来说，不啻一场灾难。不仅如此，周期性出现的冕洞高速流同样能引发高能电子暴，致使卫星环境更是雪上加霜。同时，地球同步轨道是各种导航、通讯和气象等卫星十分集中的地方。因此，对于尽可能减少恶劣空间环境给卫星带来的损失，提前预知高能电子暴是一种有效的手段和措施。

图1 在1991~1995年期间，地球同步轨道附近1.8~3.5兆电子伏高能电子通量的变化

频繁发生的高能电子暴

　　强磁暴发生后，外辐射带电子的强度通常会骤然上升两到三个数量级以上，发生高能电子暴事件。高能电子暴发生时，外辐射带的变化十分复杂。同步轨道位于外辐射带的外边缘，这里的高能电子在高能电子暴期间变化非常剧烈，并且维持数天。
　　高能电子暴是磁层中常见的危害最大的灾害性空间天气现象之一。0.2兆电子伏～10兆电子伏的高能电子穿透能力强，高能电子暴发生时，可能引起航天器深层充电放电现象，严重时甚至导致卫星报废，是地球同步轨道卫星面临的恶劣辐射环境。地球同步轨道卫星常用于通讯、气象、广播电视、导弹预警、数据中继等方面，因此，需要及时可靠的同步轨道高能电子预报来服务于卫星的在轨管理和危害防护。
　　高能电子暴明显受太阳活动的调制，来自太阳的日冕物质抛射和冕洞高速流都能够引发高能电子暴。日冕物质抛射是太阳爆发活动现象之一。冕洞高速流由日面上的冕洞发出，随太阳自转具有27天的周期性，并且冕洞的寿命通常比较长，因此，由冕洞高速流引发的高能电子暴更加频繁。从统计上来看，在太阳活动的下降段和上升段，尤其是下降段，高能电子暴发生频次比较高，在太阳活动高年反而比较低，造成这种现象的主要原因是冕洞高速流在太阳活动下降段比较显著。
　　通常，我们倾向于关注那些大的太阳风暴事件，例如2003年的万圣节太阳风暴，1989年3月造成加拿大魁北克省大断电的磁暴事件，卡林顿事件等，它们给人类的卫星系统带来了巨大的损失。但是，在太阳活动下降段，高能电子暴事件开始粉墨登场，由于它们经常与冕洞高速流联系在一起，可能会被忽视，但是它们同样能引起卫星系统的异常和故障。1994年加拿大Telesat公司的Anik E1和E2卫星相继出现故障，罪魁祸首就是冕洞高速流引发的高能电子暴。
　　与空间天气相关的航天器异常和故障，即使在没有太阳风暴情况也可能发生，高能电子暴就是其一。因此，对于卫星部门来说，在太阳活动下降段，不仅需要关注太阳爆发活动日冕物质抛射，更加需要关注与冕洞高速流相关的周期性出现的高能电子暴。对于预报人员来讲，高能电子暴的周期性出现，为对其进行精确预测提供了机会。

高能电子暴预报方法

　　同步轨道高能电子暴的预报方法与其他事件的类似，一种是基于高能电子暴形成机制的物理模式，一种是基于高能电子暴与上下游环境参量之间相关分析的统计模式。

物理模式

　　对于高能电子暴的形成原因，还没有定论。普遍认为，冕洞高速流或日冕物质抛射与地球磁层相互作用，引起磁力线的重联，这个过程会在磁尾处产生大量的能量为10千电子伏～100千电子伏的中能电子，这些中能电子为高能电子暴的形成提供了种子电子。但是，这些种子电子加速到数兆电子伏的机制，一种观点认为种子电子通过径向扩散得到加速，一种观点认为辐射带中心区域附近的波粒共振相互作用，使得种子电子的能量增加到MeV 以上，关于这些加速理论，尚未完全清楚，目前仍在研究当中。
　　美国科罗拉多大学基于种子电子的径向扩散机制，开发了同步轨道高能电子通量预报的径向扩散模式，能够给出提前1天和提前2天高能电子的日积分通量。严格地说，径向扩散模式是一个混合模式，因为扩散系数的获得是通过太阳风观测数据得到的。

统计模式

　　高能电子暴形成的物理机制至今仍然有很多争论，但通过数据分析，逐渐发现它与上游的太阳风、行星际磁场以及地磁扰动等之间存在着密切联系，籍此发展了许多统计模型。
　　20世纪90年代初，美国Baker以线性预测滤波器技术为基础，发展了REFM模式来预测同步轨道高能电子通量，模式使用最近30天的太阳风速度为输入参数，得到基本预报值，再根据基本预报值与实测值之间的偏差，对实际预报值进行修正。模型能够给出提前1-3天的高能电子的日积分通量值。

图2 REFM模式实时运行图，黄色菱形为实测值，绿色方框为预报值

警报

　　目前的高能电子暴警报主要是基于GOES卫星的实时观测。自20世纪70年代，美国NOAA的GOES系列卫星就提供着同步轨道高能电子的监测。当GOES卫星测量的高能电子通量超过警报阈值时，中科院空间环境预报中心开始发布警报，并通过网站、Email、手机短信等方式发送给用户。