美國(guó)科羅拉多州大學(xué)研究人員終于揭開地球?qū)佑钪娓吣芰Ｗ訁^(qū)域空間的神秘面紗

在一顆小型軌道衛(wèi)星的幫助下，美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員揭示出了籠罩在地球范艾倫帶的神秘面紗。最新一期的《自然 》雜志發(fā)表的這項(xiàng)研究。

“范艾倫帶”是圍繞在地球周圍的兩大輻射帶，也就是所謂的高能粒子區(qū)域。這些大量帶電粒子聚集而成的輪胎狀輻射層由美國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·范·艾倫發(fā)現(xiàn)，并以他的名字命名。范艾倫帶粒子的主要來(lái)源是被地球磁場(chǎng)俘獲的太陽(yáng)風(fēng)粒子，這些帶電粒子在范艾倫帶兩轉(zhuǎn)折點(diǎn)間來(lái)回運(yùn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)發(fā)生磁暴時(shí)，地球磁層受擾動(dòng)變形，而被局限在范艾倫帶的高能帶電粒子會(huì)大量泄出，并隨磁力線于地球的極區(qū)進(jìn)入大氣層，從而激發(fā)空氣分子產(chǎn)生美麗的極光。范艾倫輻射帶分為內(nèi)外兩層，內(nèi)外層之間存在范艾倫帶縫，縫中輻射很少。，據(jù)說(shuō)它們被我們地球的磁場(chǎng)固定就位。顯然，這些帶通過(guò)捕獲其區(qū)域內(nèi)的帶電粒子來(lái)保護(hù)我們免受某些空間最危險(xiǎn)的輻射。

1958年1月31日，美國(guó)第一顆人造衛(wèi)星探險(xiǎn)者一號(hào)升空，當(dāng)升至800千米高空時(shí)，衛(wèi)星上所載蓋革計(jì)數(shù)器讀數(shù)突然下降至0。到1958年3月26日探險(xiǎn)者三號(hào)升空時(shí)，又發(fā)生了同樣的情況。范艾倫認(rèn)為，這是因?yàn)榇嬖跇O大量的輻射導(dǎo)致計(jì)數(shù)器達(dá)到飽和而失靈造成的。因此，同年7月26日發(fā)射探險(xiǎn)者四號(hào)時(shí)，他在計(jì)數(shù)器前端加入一小片薄鉛以阻擋部分輻射。果然，新的衛(wèi)星證實(shí)了他的猜測(cè)。

早在20世紀(jì)初，挪威數(shù)學(xué)及天文物理學(xué)家斯托默就從理論上證明，地球周圍存在一個(gè)帶電粒子捕獲區(qū)。它是由地球磁場(chǎng)俘獲太陽(yáng)風(fēng)中的帶電粒子所形成的。一般來(lái)說(shuō)，內(nèi)輻射帶里高能質(zhì)子多，外輻射帶里高能電子多。輻射帶對(duì)保護(hù)地球起著很好的作用，它能俘獲從太陽(yáng)和其他天體向地球射來(lái)的高能粒子，使它們不能到達(dá)地面，從而避免了高能粒子對(duì)人類和其他生物的致命威脅。另一方面，由于輻射帶里的高能粒子會(huì)對(duì)人類身體造成巨大傷害，因此，它又是人類進(jìn)行星際轉(zhuǎn)移的巨大障礙。

博爾德大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室李辛林教授

博爾德大氣與空間物理實(shí)驗(yàn)室(LASP)的李辛林教授(Xinlin Li)領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，解決了范艾倫帶的許多奧秘，比如它的形成能源和潛在有害顆粒的來(lái)源。

這項(xiàng)研究表明，在我們星球的這種輻射帶，特別是內(nèi)邊緣附近發(fā)現(xiàn)的高能電子 ，起源于超新星 。在一個(gè)被稱為“宇宙射線反照率中子衰變 ”(CRAND)的過(guò)程中，來(lái)自爆炸后的恒星，進(jìn)入地球大氣的宇宙射線與中性原子碰撞。這些碰撞形成所謂的飛濺，從而產(chǎn)生包括電子的帶電粒子，這些粒子被地球磁場(chǎng)保持鎖定在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

在1950年代后期發(fā)現(xiàn)范艾倫帶后不久，俄羅斯和美國(guó)的科學(xué)家都認(rèn)為，“宇宙射線反照率中子衰變 ”有可能是將地球磁場(chǎng)中的高能質(zhì)子鎖住的原因。然而，沒(méi)有人能夠成功地檢測(cè)出在中子衰變過(guò)程中應(yīng)該產(chǎn)生的電子對(duì)應(yīng)物。

借助“科羅拉多州學(xué)生空間天氣實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”(CubeSat)，李博士的團(tuán)隊(duì)終于發(fā)現(xiàn)了高能電子的來(lái)源。

科羅拉多州學(xué)生空間天氣實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星

這種衛(wèi)星上特別安裝了一個(gè)小型高能粒子望遠(yuǎn)鏡，即相對(duì)論電子和質(zhì)子望遠(yuǎn)鏡 ，用于測(cè)量太陽(yáng)能質(zhì)子和地球輻射帶電子的通量。它于2012年用阿特拉斯V型火箭發(fā)射升空 。