近地空间的危险分子，近光速电子因何而生？因为稀薄的等离子体-

电子被环绕地球的一个无限循环的环捕获了范艾伦带上的等离子体密度为何剧烈下降？有哪些影响？会把电子加速至接近光速？

这是范艾伦带的一幅示意图，灰色的是极端相对论性电子的轨迹。醒目的彩色圆圈是必须穿过太空中这一电磁危险区域的卫星的轨道。

图片版权：英戈米凯利斯(Ingo Michaelis)、尤里施普里茨(Yuri Shprits)，德国波茨坦地学研究中心(GFZ)

在一场恰好的太阳风暴的漩涡中，电子可能会在地球附近被捕获，在地球附近电子可能被加速至接近光速。电子因在等离子体波上滑行而具有了能量，等离子体是一种剧热带电的气状物质，在太阳风暴期间它被太阳发射了出来。依据来自德国波茨坦地学研究中心的研究者的一项新研究，只有当等离子体的密度较低时，电子才能被加速至接近光速。

这项发现意义重大，因为电子的移动速度很快，这对于人造卫星和其他电子设备尤其危险。它们能穿透卫星用来隔绝太阳风暴中其他带电粒子的防护，损坏敏感元件。

这种现象发生在里外两条范艾伦辐射带中，它们是地磁场捕获的带电粒子形成的一种圆饼形的绕地球的环。里层的辐射带在地球上空大约400英里（640千米）处，外层的辐射带延伸到了36,000英里（58,000千米）以外，保护我们的星球免受由太阳产生的带电粒子的影响。但是它们也以一种我们仍不完全理解的方式与太阳风暴发生反应。2012年国家航空航天局（NASA）发射了两艘范艾伦带探测器探测地球临近空间的这一神秘区域。探测器探测了拥有“极端相对论性能量”的电子，即接近光速移动的电子。

范艾伦探测器展开隔板臂的照片（图源：NASA）

研究者仍然不确定电子如何变得这么活跃的。有的人认为电子的加速分两个阶段，第一阶段

发生在外层辐射带的外侧，第二阶段则在更深的部分。但是来自探测器的新数据发现不需要两个阶段的加速。取而代之的是，在一场太阳风暴中，电子的速度与它所处环境：等离子体的密度等级息息相关。

“这项研究说明，如果地球辐射带的电子所处等离子体环境的条件——等离子体波以及等离子体暂时的低密度是合适的，它就能被迅速地局部加速至拥有极端相对论性能量。”，研究的共同作者，德国波茨坦地学研究中心的一名空间物理学家，尤里施普里茨在一段发言中表示。

通常，范艾伦带内的等离子体密度在50个粒子每立方厘米到100个粒子每立方厘米之间。但是当密度降低到10个粒子每立方厘米以下时，电子就能从被称为“合唱波”(chorus waves)的电磁波中吸收能量，将它们的动能从几十万电子伏特跃增至700万电子伏特。相比之下，核子研究组织（CERN）使用的线形加速器直到2020年才把质子加速到5000电子伏特。研究者早就怀疑合唱波可能是加速电子的始作俑者，但当时没能意识到这只在等离子体密度低时发生。

等离子体的低密度使得更多由等离子体波向电子的高效率能量转移能够发生。

这些密度降低的现象并不经常发生，研究者在他们的论文中写道，论文于1月29日在《科学进步》期刊上发表。2015年，开始观测后，适宜的条件只出现了少数几次，他们补充道。这些极端条件可能与范艾伦带中发生的的持续性对流有关，持续性对流指较热，较轻的物质上升，而密度较大，较冷的物质下沉的现象。研究者写道，等离子体偶尔变得这么稀薄的原因还需要进行更多研究。