[科普中国]-内辐射带

“内辐射带”是天文学专有名词。来自中国天文学名词审定委员会审定发布的天文学专有名词中文译名，词条译名和中英文解释数据版权由天文学名词委所有。

辐射带地球磁层中存在一个充满着被捕获的高能带电粒子的区域，这个区域叫做辐射带[Yan Allen and Frank, 1959]。由宇宙线或者太阳辐射出来的带电粒子与地球中高层大气相互作用形成的带电粒子，可以被地球磁场捕获，沿地球磁场磁力线做螺旋形运动，同时辐射电磁波，形成高能带电粒子的富集区，被称作地球辐射带。1958-1959年范艾伦等人根据人造地球卫星的观测资料证明了它的存在，因而又称范艾伦带。1

内辐射带与外辐射带辐射带分为内辐射带和外辐射带，如图所示。内辐射带离地面较近，分布范围从1.2一2个地球半径，中心位置距离地心约1.5 Re附近，主要成分为高能的质子(10-100MeV)，也有低能质子，电子以及少量的氖和氖，质子通量可高达10e5(cm2*s)，主要来源于银河宇宙射线;外辐射带离地面较远，分布范围从2.6一6个地球半径，中心位置在3-4 Re处，其主要成分为高能电子，最大通量为10e9/(cm2 * s)，一般认为这些能量电子是由太阳风扩散进入或者由磁层电子加速而来。内辐射带和外辐射带之间是槽区，有学者研究认为这是由于在VLF波的作用下，电子很容易与槽区的等离子体嘶声共振以致在槽区损失而引起的。本文研究内容只涉及内辐射带高能质子。2

辐射带中粒子运动一个相对论质量为m，电量为q的带电粒子处于给定的电场}\磁场B中则在库仑力和洛伦兹力的作用下，其运动可以分解成三个部分。

第一种是围绕磁力线回旋运动，由于地球磁场的存在，粒子会围绕磁力线做洛伦兹回旋运动，该运动和带电粒子所带电荷态是有关的。回旋运动的圆心称为导向中心，圆周运动的半径叫做回旋半径。回旋半径的大小和磁场强弱以及粒子的能量相关，磁场越强，粒子能量越小，回旋半径越小。

第二种是沿着磁力线的弹跳运动。当磁场存在平行梯度时，带电粒子总的速度虽然不会变化，但粒子由于受到与磁场方向相反的作用力，会导致沿磁场方向的平行速度分量沿磁场增强的方向减小，最终平行速度反向，这种平行方向的往返叫做“磁镜像”，磁镜点之间的运动叫“弹跳运动”。在地球内磁层中，磁场形态近似于偶极场，当带电粒子具有平行于磁场方向的速度时，就会在两极的磁镜点之间来回弹跳。如果粒子经历的磁场时间变化尺度远大于弹跳周期，则粒子平行磁场方向的动量在其弹跳路径上的积分保持守恒。

第三种是垂直磁力线的漂移运动。当磁场强度在垂直于磁场的方向上存在梯度时，由于带电粒子在磁场强度小的区域回旋半径大，在磁场强度大的区域回旋半径小，使得带电粒子沿垂直于磁场的方向漂移(如图1.4所示)。漂移方向和带电粒子所带电荷有关，质子和电子的漂移方向相反。此外，当磁力线弯曲时，带电粒子将受到惯性离心力的作用发生曲率漂移。带电粒子的这两种漂移运动统称为梯度一曲率漂移。在地球偶极磁场中，电子向东漂移，质子向西漂移。

内辐射带质子分布较高能量的质子主要集中在内辐射带，分布范围大约在1.2-2个Re。内辐射带高能质子通量随高度先上升后下降。通量在1.5个地球半径左右达到最大值。图是能量大于SOOMeV的高能质子通量的空间分布。3

由于地球磁场并非真正的偶极子场，且地球磁轴倾斜于地球自转轴约11度，范艾伦辐射带并非等距环绕整个地球，在南美洲南部及南大西洋海域，范艾伦带在该区域上空形成一凹陷部分，形成辐射带的南大西洋异常区。

南大西洋异常区是引起低轨道航天器辐射危害严重的区域，是带电粒子诱发的异常或故障的高发区。这里辐射带粒子与地球大气相勺_作用的可能性最大。在800km高度，南大西洋异常区空间分布尺度很大，从东经15度到西经120度。南大西洋异常区中心有多种不同的定义方式，本文将南大西洋异常区质子通量最大值对应的位置定义为南大西洋异常区的中心。

内辐射带质子动态变化通常认为，至少有一部分内辐射带质子是由于高能宇宙线(起源于银河系的高能粒子)作用产生的。进入地球磁层的宇宙质子与大气原子相碰撞，产生一个中子。其中的一些中子到达磁层，衰变成一个质子，一个电子和一个中微子，这个过程称为宇宙线反照中子衰变。中子的绝大部分动量存在于新产生的质子中，如果这些质子处于合适的初始运动方向和位置，就会被地磁场捕获。这些被捕获的质子的能量接近逃逸中子的能量，能量可以到达几百MeV。辐射带的高能质子由于不断与大气中的原子非弹性碰撞而逐渐损失能量，最后这些粒子损失在大气层中。辐射带的高能质子处于不断产生又不断损失的平衡状态。

影响辐射带粒子分布范围和强度的主要因素有:地磁场的长期变化，太阳活动的水平，银河宇宙线，地球磁场的扰动等等。因此，辐射带的动态变化可以分为不同时间尺度的规律性的变化与扰动变化。规律性的变化包括:(1)地球内源场的长期变化引起的内辐射带下沉，辐射通量增强，南大西洋异常区西漂;(2)太阳活动及银河宇宙线的11年周期性变化导致的辐射带质子通量的11周期性变化;(3)由于地球绕太阳公转导致的年变化和季节性变化;(4)由于太阳27天的自转导致的27天变化;(4)由于地球自转导致的周日变化。而扰动性变主要分为两类:(1)太阳质子事件;(2)高能电子暴。

辐射带中粒子分布的范围和形状收到地磁场的制约。由于地球磁场的强度和结构不断发生缓慢长期的变化，低空被捕获粒子也要受到地球磁场长期变化的影响。地球偶极磁场的中心位置以2.5公里/年的速度偏离地心，地球磁场的偶极矩在不断的衰减，同一(B, L)值所在的高度逐年降低，综合效应是使辐射带的最内层区域缓慢向内漂移，高能质子通量增强。同时，地球非偶极场子逐年向西漂移，南大西洋异常区高能质子的分布位置也会存在与非偶极场子相关的长期缓慢变化。

目前普遍认为内辐射带的高能质子主要由银河宇宙线反照中子衰变形成，而银河宇宙线的强度也受太阳周期活动调制，在没有太阳耀斑效应时，10MeV至10000MeV能量范围的全向宇宙线强度随太阳活动性的增加而减少，因而宇宙线反照中子衰变过程也会相应的减弱。