[科普中国]-范艾伦辐射带

简介

范艾伦辐射带，指在地球附近的近层宇宙空间中包围着地球的高能粒子辐射带，主要由地磁场中捕获的高达几兆电子伏的电子以及高达几百兆电子伏的质子组成，其中只有很少百分比像O+这样的重粒子。范艾伦辐射带分为内外两层，内外层之间存在范艾伦带缝，缝中辐射很少。范艾伦辐射带将地球包围在中间。范艾伦带内的高能粒子对载人空间飞行器、卫星等都有一定危害，其内外带之间的缝隙则是辐射较少的安全地带。

形成原因范艾伦带粒子的主要来源是被地球磁场俘获之太阳风粒子，这些带电粒子在范艾伦带两转折点间来回运动。当太阳发生磁暴时，地球磁层受扰动变形，而局限在范艾伦带的高能带电粒子大量洩出，并随磁力线於地球的极区进入大气层，激发空气分子产生美丽的极光。

分布范围目前一般认为范艾伦辐射带的纬度范围是南北纬40°~50°之间；高度范围分两段：内带1500~5000km，外带13000~20000km。1

第三个辐射带2013年，贝克带领一支科研小组利用2012年美国宇航局发射的双胞胎范艾伦探测器发现了介于内层辐射带和外层辐射带之间的第三层、短暂的“存储层”，后者似乎会在空间天气密集期产生和消失。2这一发现有助于科学家了解太阳如何以及何时对地球带来危害。范艾伦辐射带是一个甜甜圈形区域，含有“致命电子”，环绕我们的星球。这一辐射带经常因为太阳风暴和其他空间天气事件膨胀，对卫星通讯、GPS卫星以及宇航员构成严重威胁。

科学家一直认为地球周围只有两个范艾伦辐射带，但两个探测器(2012年夏季发射的范艾伦探测器)搭载的仪器发现的粒子显示存在第三个短暂的辐射带。科学家观测到这个第三个辐射带的形成，一共持续了4周时间，最后被来自太阳的一场强烈的行星际冲击波歼灭。

第三个范艾伦辐射带的发现带有一定偶然性，因为发现辐射带的仪器——范艾伦探测器搭载的相对论电子质子望远镜(以下简称REPT)打开的时间早于原定计划。3

影响一般来说，内辐射带里高能质子多，外辐射带里高能电子多。辐射带会对人类身体造成巨大伤害，因此，它是人类进行星际转移的巨大障碍。

同时，辐射带也影响哈伯望远镜的观测，因为哈伯处在相当低的轨道，离地仅559公里来运行。因此，当哈伯通过南大西洋上空时必须暂时关闭观测窗口。因为范艾伦辐射带刚好在这里碰触到地球的上层大气，如果开启观测的话，可能会损坏哈伯的观测元件。

研究历程20世纪初，挪威空间物理学家斯托默从理论上证明，

在地球周围存在一个带电粒子捕获区（大部分区域处于后来发现的辐射带内）。

这条辐射带是1958年美国的第一颗人造卫星探索者1号发现的。由于项目的领导者是爱荷华大学的James Van Allen，这条辐射带最终以他的名字命名。在1958年1月31日发射的探索者1号上，Van Allen使用的宇宙射线探测器非常简单——只是一个盖革计数器（一种检测辐射的仪器）和一个磁带存储器。在1958年后续的3次太空任务——探索者3号、探索者4号和先锋3号里，跟进的实验确定了有两条辐射带环绕地球。4

范艾伦辐射带的发现衍生出了磁层物理这一全新的研究领域，目前（截止到2010年）全球共有20多个国家的1000多名科学家从事该领域的研究。

美国航天局2012年8月9日宣布，该机构将于8月23日发射两个探测器，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”，将持续两年。两个探测器将进入椭圆形轨道，研究范艾伦带内的粒子如何产生、它们在太空气候事件中的活动以及促使这些粒子加速的机制。

项目科学家、约翰斯·霍普金斯大学教授巴里·毛克表示，地球上空辐射带由太空气候事件导致的剧烈变动具有高度不可预测性，“辐射带风暴探测器”任务的最根本目标是理解辐射带如何形成及演化。5

当地时间2012年8月30日，美国航天局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。两颗卫星在一枚宇宙神V－401火箭的运送下升空。1小时18分后，首颗卫星与火箭分离，又过了约13分后，第二颗卫星也与火箭分离。这一任务名为“辐射带风暴探测器”，两颗卫星重量均不到1500磅（约680公斤），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天内陆续启动，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。6有助于研究并最终预测范艾伦带如何应对太阳喷发物质，以及保护地球上空的卫星，理解太空气候如何影响地球的通信情况。

2012年，美国航天局发射了一对探测器以详细地研究它们，这是有史以来第一次有两艘航天器同时观测辐射带，它们能彼此交换信息以获得更多的数据。范艾伦探测器（原名“辐射带风暴探测器”）有数个观测目标，包括探索辐射带内粒子（离子和电子）是如何加速和转移的；电子在辐射带中是如何消失的；地磁风暴发生时辐射带是如何变化的。整个任务原计划持续两年，但是截止2016年8月时，探测器在超出预计寿命两倍后仍能正常工作。4

观测工作的一个关注点是范艾伦带的位置。我们已经知道辐射带会在太阳活动加剧时膨胀。在探测器发射前，科学家认为内辐射带是相对稳定的，只有在膨胀时，才会扩散到国际空间站和一些人造卫星的轨道上。而外辐射带则会时有涨落。一般科学家会花几个月来校准仪器。但是相对论电子质子望远镜的团队在发射后几乎是马上（3天后）就要求启动他们的仪器。他们这么做的原因是希望比较在另一个航天器——太阳能、异常和磁层粒子探测器（SAMPEX）脱离轨道再入大气层前后的结果。4

美国航天局在2013年2月表示，这是一个幸运的决定。当仪器一开机，就赶上了太阳风暴导致辐射带膨胀。以前从未有人观测到如此的景象，粒子拥有了新的特性，表现出额外的一条延伸进入空间的辐射带。航天局还补充说，发射后不到几天的时间里，范艾伦探测器就为科学家们带来了一些可能改写教科书的发现。4

探测器收集到的数据还表明，辐射带保护了地球免遭高能粒子的袭击。文章的主要作者，科罗拉多大学的Dan Baker表示，由于此前我们没有针对高能电子的高精度测量仪器，这次通过范艾伦探测器我们才得以第一次研究它们。现在我们可以说辐射带的一个重要功用就是阻挡了超快电子。4

新的发现能帮助科学家改进辐射带的模型。但是探测器还在不断地做出新发现。在2016年1月科学家们发现辐射带表现的形状取决于我们对何种电子进行观测。这意味着两条辐射带要比先前的预测复杂的多。根据观测电子类型的不同，辐射带可以表现为单一辐射带，两个独立的辐射带或是只有外辐射带（完全没有内辐射带）。4

美国科学家正在研制一种低成本的小型卫星，用来探测包围在地球周围的神秘“范艾伦辐射带”（Van Allen radiation belts）。这颗被称为“紧致相对论电子与质子望远镜”(CREPT)的卫星重量仅仅3.3磅（约合1.5千克）。

这颗固态小型望远镜属于美国宇航局“低成本太空项目”的一部分，它将用来测量“范艾伦辐射带”中的高能电子和质子（该辐射带像巨大的甜甜圈一样包围在地球的周围）。

三年之后，这颗小卫星将会搭乘猎鹰9号火箭（Force Falcon 9 rocket）进入极地低轨道，这是对目前运行于赤道高轨道上的“范艾伦辐射带”测量卫星（RBSP）的重要补充。

研究困惑“范艾伦辐射带”最早是由美国宇航局的“探索者一号”飞船发现的。长期以来，科学家对其中的许多谜团感到困惑。其中，内辐射带位于距地1000英里到8000英里的范围，稳定性非常好。然而，位于12000到25000公里的外辐射带变化幅度很大。当太阳风暴期间，外辐射带可以膨胀100多倍，能够吞噬通信卫星和科学卫星，使它们暴露在有害的辐射当中。

更令人困惑的是，外辐射带对太阳风暴的相应并不总是一样。有时候辐射带发生膨胀，有时候反而收缩。CREPT卫星的首要任务就是找出外辐射带丢失电子的物理机制。