[科普中国]-范·艾伦带

发现历史

在近层宇宙空间中，高能量的辐射远比人们设想的要多。 高能辐射层在赤道附近呈环状绕着地球，并向极区弯曲。这一辐射层的位置是变化的，通常就被称为范艾伦辐射带。六十年代初又被正式命名为磁层。 从磁层的形状来看，磁层中的粒子好像是被地球的磁场所束缚，并绕地球两极间的磁力线作螺旋形分布（埃尔泽塞尔认为磁力线起源于地球内部深处）。1958年8月，利用在地面上数百英里上空爆炸的一颗原子弹进行了验证这个实验称之为“阿格斯”（希腊神话中的百眼巨人）计划”。由核弹所产生的带电粒子的分布，证实了磁场确是磁层形成的决定因素，磁层这一名称便正式得到了采用。在1962年，另一些由范艾伦率先支持的高空实验，证实了磁层会发生变化，这使科学家们普遍感到意外。 磁层的存在，以及由于太阳的色球爆发，使辐射强度发生突然和不能预料的增加，似乎是人类进行宇宙探索的障碍。但是后来人类的一系列航天活动，证明磁层的存在并不是人类进行宇宙探索的障碍。

主要理论从几百千米到6000千米的低空称为“内带”，有高能电子的6000km以上的高空称为“外带”。一旦带电粒子被捕获，洛伦兹力便控制它们在地磁层中的运动。

由于范艾伦曾经领导了美国缴获的V2导弹研究工作，并且范艾伦对宇宙射线的兴趣，所以在火箭上携带着测量近层宇宙空间的宇宙射线和其他高能粒子的仪器测量高能粒子成为可能。范爱伦首次在“探险者I号”安装了这些仪器，但是这些计数器到达很高的高度时，就失去计数能力。1958年3月发射的“探险者III号”上所携带的更可靠的计数器也是这样。 范艾伦由过去的经验假想，计数器的停止计数，可能并不是由于粒子数目真地降到零，也许是于是由于粒子数目太多，计数器根本来不及计数。他设计了一个由铜遮蔽的计数器，使它只能接受粒子中的一小部分。这种计数器在1958年7月26日由“探险者IV”号送入空间，计数的结果证实了他的假设。

范艾伦带加速粒子1958 年，空间科学家詹姆斯·范艾伦和同事发现了高速粒子以两个同心圆的方式环绕地球运行的辐
射带，称之为范艾伦辐射带。几年之后，研究人员推断，这些同心圆中的粒子来自遥远的地球磁气圈且
由地球磁场所控制，当漂移接近地球且遇到更强的磁场时，就会被加速并进入一个环状的运行轨道。同
时认为，整个加速过程需要几天到几周的时间，而且辐射带只随时间逐渐变化。
20 世纪 90 年代，科学家开始了范艾伦辐射带的卫星在轨飞行探测，结果发现其能量和密度的变化非
常迅速且时间很短，而不是几天到几周。于是，关于辐射带电子来源有一个新的观点：带电粒子并不是
来自远方，而是在原地产生——辐射带中的电场直接从游离原子中得到电子，并将其加速近至光速。该
过程会在数秒至数小时的时间里使辐射带的能量发生巨变。这一理论与观测结果更为吻合，从而激发了
科学家的研究热情。
2012 年 8 月，美国 NASA 发射了范艾伦带辐射探测器——由两颗相同的卫星组成，可同时从不同位
置和角度对辐射带进行观测。同年 10 月初，在太阳风暴耗尽辐射带最外层大多数电子的一周后，两个探
测器记录了电子密度在不到12 h里有近 1000 倍的激增。
新罕布什尔大学空间科学家 Harlan Spence 认为，这两颗卫星的观测结果支持辐射带内的电场加速电
子的说法。他还认为，辐射带中一些电磁波频率与电子在附近磁场运行的频率吻合，这样的同步使带电
粒子的加速变得容易。然而，卫星观测的范围仍然太过稀疏，而且卫星又不是为观测辐射带在不同位置
的快速变化特性而设计的，因此，要想完全区分这两种加速模式，需要专门为其设计探测卫星。得克萨
斯州西南研究院的空间物理学家 David McComas 评论称，该观测结果“清楚地说明了大量粒子加速可以
在辐射带中心位置发生” 。McComas 同时认为，高能粒子原地加速是一个普遍的物理过程，“如果它发生
在地球范艾伦辐射带的中心位置，它也可能发生在木星和土星，甚至是太阳系之外磁化恒星的行星周围
更强烈的辐射带中。”2

第三个范艾伦带一直以来，科学家认为我们地球附近只存在两个范艾伦辐射带，但一项新发现推翻了该认知——第三个迄今才观测到的范艾伦辐射带，其中还含有致命的高能粒子。这是由美国航空航天局（NASA）利用探测器在地球
周围发现的结果，第三个范艾伦辐射带的发现，对于研究地球空间气象、太阳变化对地球影响，以及航天事业的安全等具有重要意义。所谓范艾伦辐射带，是环绕地球的高能粒子辐射带。由詹姆斯·范艾伦于1958年发现。当时，美国数颗人造卫星在发射升空过程中都出现仪表设备失灵的情况。范艾伦判断并证实，高能辐射导致了这一
异常状况。从此之后，全世界研究空间气象的科学家都开始研究并解释这些辐射带形成原因，以及如何对外层辐射带经常发生的剧烈膨胀或收缩现象进行预测，并逐渐形成“磁层物理”这一全新的科学领域。

范艾伦辐射带堪称一台自然的“粒子加速器”。与之相比，人类最值得骄傲的科技装备——欧洲大型强子对撞机
（LHC）也不得不俯首称臣。这个由被地球磁场捕获的带电粒子构成的辐射带，有着类似于甜甜圈一样的形状。其中的带电粒子，有的源自宇宙射线，有的随太阳风而来。从外观上看，仿佛两个环绕着地球的巨大同心圆，纵贯于地球表面上空1600至32000公里的范围内。范艾伦辐射带经常因太阳风暴和其他空间天气事件而剧烈膨胀，一直给卫星通讯、GPS定位系统和宇航员的人身安全造成严重威胁。

在研究范艾伦辐射带方面，美国作为老牌航天强国依然走在最前面。第三个范艾伦辐射带的发现，就归功于2012年8月30日美国航空航天局发射的两颗携带电子质子望远镜等最精良仪器的探测卫星。它们的任务就是对范艾伦带进行专门研究，包括带内的粒子如何产生、这些粒子在太空气候事件中的活动以及促使它们加速的机制等等。

新辐射带的出现，是已知辐射带受到同期太阳耀斑活动影响的结果。巨大的日珥向地球方向喷射了大量粒子和冲击波，对已知辐射带的外侧部分造成重创。在随后的几个月时间里，残存部分与新生的部分泾渭分明，形成三个范艾伦辐射带同时存在的局面，并被人们发现。3

辐射带风暴探测器美国航空航天局 8 月 30 日晨从卡纳维拉尔角空军基地发射两颗卫星， 用于研究地球上空的辐射带——
范艾伦带。

这一任务名为“ 辐射带风暴探测器” ，两颗卫星质量均不到 1500 磅（约 680 kg），均配备有保护性
镀层和耐用电子元件，可在范艾伦带恶劣的太空气候中开展探测活动。两颗卫星将进入椭圆形轨道，携
带的科学仪器将在 60 d 内陆续启动，研究范艾伦带内的粒子如何产生，这些粒子在太空气候事件中的活
动，以及促使它们加速的机制。4