基于澳门科学一号卫星的地面人工甚低频波台站导致的南大西洋异常区内辐射带电子“峰”观测

南大西洋异常区是近地空间中的一个特殊区域，其磁场较弱，能量粒子通量较高，低地球轨道卫星经过此处时面临的空间天气较为恶劣。 宗秋刚 教授团队使用澳门科学一号卫星数据研究发现，在南大西洋内部可以观测到澳大利亚地面甚低频波台站NWC散射内辐射带电子投掷角形成的局地通量最大的“峰”。文章提出，南大西洋异常区内的“峰”来自于漂移损失锥外特定投掷角区域内的电子。相关成果发表在《中国科学: 地球科学》2025年第2期。

南大西洋异常区是低地球轨道高度处磁场显著降低的一个区域。在南大西洋异常区中，大量被地球磁场捕获的能量粒子可以进入到较低高度，形成此处极为严峻的辐射环境。这种辐射环境对于卫星具有极大的威胁，100keV以下的电子可能引起表面充电，更高能的电子可能造成深层放电现象。南大西洋异常区内的高辐射环境还会危害空间站中宇航员的身体健康。因此，监控和改变南大西洋异常区的辐射强度是空间工程师和空间科学家们十分关心的重要问题。

波粒相互作用是一种可行的改变空间辐射强度的手段。前人研究表明，澳大利亚地面台站NWC发出的甚低频波动(VLF)可以通过这种方式减少内辐射带的电子。这些被散射的电子进入漂移损失锥，在南大西洋异常区外形成局地通量极大值，即“峰(wisp)”，在南大西洋异常区内形成局地通量极小值，即“谷(rift-valley)”。

澳门科技大学月球与行星科学国家重点实验室／北京大学宗秋刚教授带领团队使用自主研发的澳门科学一号卫星中能电子谱仪数据，发现在南大西洋内部也可以观测局地通量最大的 “峰”。如图1所示。

(a) A星在地理地图中的轨道, 颜色代表40~750keV能量范围内的电子积分通量, 等值线表示磁壳, 星号标识轨道起点位置。(b) 电子全向微分通量能谱, 具有能量色散通量极大信号为“峰”; 其中白色虚线表示卫星所在的磁壳, 其坐标值参考右侧纵轴。(c) 不同能档电子全向微分通量。(d)~(f) 以相同格式展示B星观测情况。此时, B星轨道落后于A星大约8min

澳门科学一号卫星由两个环绕地球的卫星组成，轨道倾角41°。A卫星运行在450km高度圆轨道上，B卫星运行在450~500km高度之间的椭圆轨道上。轨道周期均为94分钟左右。澳门科学一号两颗卫星安装了完全相同的北京大学研发的中能电子谱仪。中能电子谱仪装载了一系列针孔成像传感器，可以同时测量9个方向的中能电子。AB两颗卫星上的中能电子谱仪正交安装，可以覆盖几乎全部局地投掷角范围。每个传感器的半峰宽视场角约10°。中能电子谱仪能量范围为40~750keV，共有126个线性分布的能档，平均能量分辨率5.5keV。因此，中能电子谱仪可以在低地球轨道获得高能量分辨率和全投掷角覆盖的电子测量。

研究认为，南大西洋异常区内的“峰”来自于漂移损失锥外特定投掷角区域内的电子。这一“峰”在前人模型中曾有预测，但由于其特殊投掷角分布范围而无法在从前的卫星观测中得到确认。研究进一步区分了沉降和捕获电子成分，基于二者的比值计算出大约2%~5%的捕获电子在地面甚低频波台站的影响下损失。这一结果补全了地面甚低频波台站散射能量电子投掷角的过程，并定量估计了其效应。