地球磁层辐射带富含MeV能量的高能电子，这些高能电子对航天器安全运行和宇航员健康具有巨大威胁。高能电子在时空上呈现高动态演化特性，高能电子演化是空间物理学和空间天气的热点研究议题。
辐射带高能电子主要受太阳风和地磁活动的调制。磁暴条件下，辐射带高能电子可以出现小时尺度内几个数量级的显著增强（图1）。模拟和观测表明，电磁波-粒相互作用加速、高能电子径向扩散、磁层亚暴粒子注入等动力学过程可实现高能电子的显著增强。最近的研究显示，磁层亚暴相关的偶极化可以直接加速MeV电子。但之前研究中，亚暴偶极化粒子注入与高能电子增强（REE）相关的研究主要集中在事例分析 [Dai et al.,2014GRL,2015GRL, Xiong et al.,2022JGR]。最近实验室王赤院士团队的熊森林博士，戴磊研究员等，对范阿伦卫星（RBSP）2012-2017年的数据进行了普查，筛选出27个（~4.5h时间尺度的）快速REE并进行统计分析，首次从统计上显示磁层偶极化注入电子加速和快速REE存在密切关联。
图 1 强快速高能电子增强概览
本研究中，在27个快速REE期间均观测到脉冲式种子电子（~100keV）、亚相对论电子（~500keV）和相对论电子（~MeV）注入（图2）。REE与偶极化加速粒子相伴随存在。进一步对同步轨道位置处注入的高能电子含量定量分析显示，在数十分钟亚暴偶极化加速时间尺度下，注入的亚相对论电子和相对电子含量相关性很高（0.82，图3）。在核心辐射带区域（L=4.5-5.5），REE期间亚相对论电子和相对论电子增长量相关性也很高（0.88，图4）。在L=6.6位置处偶极化注入的高能电子含量具有与辐射带增强的高能电子含量类似的特性，意味着辐射带高能电子的增长量可能由亚暴偶极化注入电子含量调控。REE期间观测到了显著强于REE前、后的亚暴指数（图5），进一步显示了亚暴偶极化加速与辐射带高能电子增强存在正相关。
图 2 快速REE期间的偶极化和亚暴粒子注入信号
图 3 快速REE期间不同能量的高能电子脉冲注入量相关性分布
图 4 快速REE期间不同能量高能电子演化分布
图 5 快速REE前（黑）、期间（红）、后（蓝）亚暴强度分布
该研究揭示了辐射带高能电子快速增强与磁层亚暴偶极化注入加速粒子存在密切关联。所有快速REE均对应着一个或多个亚暴偶极化电子注入加速，为我们进一步理解磁层辐射带高能MeV电子加速提供了重要启示。
本研究工作得到了中国国家自然科学基金委员会（NNSFC）的资助（42174207）、中国国家重点实验室专项研究基金、中国科学院空间科学战略先导专项（XDA15350201，XDA15052500）的支持。相关成果发表在期刊JGR Space Physics。
论文链接：
https://doi.org/10.1029/2023JA032095
Citation:
Xiong, S., Dai, L., Wang, C., Yang, X., Wygant, J. R., & Baker, D. N. (2024). Rapid relativistic electron enhancements and associated particle injections: A multi-spacecraft statistical study. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 129, e2023JA032095. https://doi.org/10.1029/2023JA032095
Xiong, S.-L, Dai, L., Wang, C., Wygant, J., Cattell,C., Tao, X., Baker,D., Blake, J., (2022). Relativistic Electron Enhancements through Successive Dipolarizations during a CIR-driven Storm. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 127,e2021JA030088. https://doi.org/10.1029/2021JA030088