范艾倫輻射帶還存在一些我們所不知道的

范艾倫輻射帶是什麼?首先范艾倫是個人名，該輻射帶是以他的名字來命名的。總所周知地球磁場會捕獲了大量的高能粒子，這些粒子最終會聚集成長而寬的條帶，如一個巨大甜甜圈一般包裹住地球。這條輻射帶是1958年美國的第一顆人造衛星探索者1號發現的。由於項目的領導者是愛荷華大學的James Van Allen，這條輻射帶最終以他的名字命名，這就是范艾倫輻射帶的由來。在1958年1月31日發射的探索者1號上，Van Allen使用的宇宙射線探測器非常簡單——只是一個蓋革計數器(一種檢測輻射的儀器)和一個磁帶存儲器。在1958年後續的3次太空任務——探索者3號、探索者4號和先鋒3號里，跟進的實驗確定了有兩條輻射帶環繞地球。其示意圖如下：

2012年，美國航天局發射了一對探測器以詳細地研究它們，這是有史以來第一次有兩艘航天器同時觀測輻射帶，它們能彼此交換信息以獲得更多的數據

幾十年來輻射帶的模型都是這麼簡單。可是很多事情，並不如我們想像中的簡單，所以2012年，美國航天局發射了一對探測器以詳細地研究它們，這是有史以來第一次有兩艘航天器同時觀測輻射帶，它們能彼此交換信息以獲得更多的數據，並有了成效。

范艾倫探測器(原名「輻射帶風暴探測器」)有數個觀測目標，包括探索輻射帶內粒子(離子和電子)是如何加速和轉移的;電子在輻射帶中是如何消失的;地磁風暴發生時輻射帶是如何變化的。整個任務原計劃持續兩年，但是截止2016年8月時，探測器在超出預計壽命兩倍後仍能正常工作。

觀測工作的一個關注點是范艾倫帶的位置。我們已經知道輻射帶會在太陽活動加劇時膨脹。在探測器發射前，科學家認為內輻射帶是相對穩定的，只有在膨脹時，才會擴散到國際空間站和一些人造衛星的軌道上。而外輻射帶則會時有漲落。一般科學家會花幾個月來校準儀器。但是相對論電子質子望遠鏡的團隊在發射後幾乎是馬上(3天後)就要求啟動他們的儀器。他們這麼做的原因是希望比較在另一個航天器——太陽能、異常和磁層粒子探測器(SAMPEX)脫離軌道再入大氣層前後的結果。

美國航天局在2013年2月表示，這是一個幸運的決定。當儀器一開機，就趕上了太陽風暴導致輻射帶膨脹。以前從未有人觀測到如此的景象，粒子擁有了新的特性，表現出額外的一條延伸進入空間的輻射帶。航天局還補充說，發射後不到幾天的時間裡，范艾倫探測器就為科學家們帶來了一些可能改寫教科書的發現。

探測器收集到的數據還表明，輻射帶保護了地球免遭高能粒子的襲擊。文章的主要作者，科羅拉多大學的Dan Baker表示，由於此前我們沒有針對高能電子的高精度測量儀器，這次通過范艾倫探測器我們才得以第一次研究它們。現在我們可以說輻射帶的一個重要功用就是阻擋了超快電子。

新的發現能幫助科學家改進輻射帶的模型。但是探測器還在不斷地做出新發現。在2016年1月科學家們發現輻射帶表現的形狀取決於我們對何種電子進行觀測。這意味著兩條輻射帶要比先前的預測複雜的多。根據觀測電子類型的不同，輻射帶可以表現為單一輻射帶，兩個獨立的輻射帶或是只有外輻射帶(完全沒有內輻射帶)。

本文要和大家分享的是2015年3月的地磁風暴是近十年來最強的一次地磁風暴，不過相比於1991年的地磁風暴來說，簡直是小巫見大巫了。輻射帶會對探測器和宇航員造成危害，所以我們升空的時機需要把握好。同時也需要研製出更好的防輻射設備和措施。

NASA在2012年發射了兩個范艾倫探測器以研究造成這種惡劣環境的基本物理過程，有助於科學家建造更好的輻射帶模型

據國外媒體報道，地球處於范艾倫輻射帶中心，2015年3月17日，日冕物質拋射(CME)產生的震蕩波衝擊了地球的磁層，引發了近十年來最大的一場地磁風暴。NASA的范艾倫探測器觀測了此事對輻射帶的影響，這是空間氣候中一個常見的形態，當磁層收到短暫而突然的干擾時，就會產生地磁風暴。這類事件同樣可以對地球周邊的輻射帶造成影響，但研究者們很難觀測到具體發生了什麼。

在2015年3月的那場地磁風暴中，其中一個范艾倫探測器剛好在輻射帶附近的軌道上，極為難得的觀測到了這個從未見過的現象。范艾倫探測器科學家David Sibeck表示，我們研究輻射帶是因為它們會對探測器和宇航員造成危害，一旦知道了輻射可能會造成多大的危害，我們就可以製造更好的探測器來抵禦。

研究輻射帶是我們在監視、研究、了解太空氣候中的重要部分。NASA在2012年發射了兩個范艾倫探測器以研究造成這種惡劣環境的基本物理過程，有助於科學家建造更好的輻射帶模型。探測器被特地建造為能夠忍受輻射的持續衝擊，甚至在更惡劣的環境下也能繼續收集數據。范艾倫輻射帶是位於地球磁層中的高動態結構，會隨著這類事件和太陽輻射的影響膨脹或收縮。有時，近地空間的環境變化會使這塊區域的電子充能，科學家還不知道這些由星際震蕩而產生的充能現象是否普遍存在。

無論如何，這些星際震蕩的影響都是非常局部的現象，也就是說如果事件爆發時探測器剛好不處於影響範圍內，該現象就不會被記錄下來。當震蕩波衝擊輻射帶外圍時，探測器觀測到一個電子脈衝突然被充能至超高速(接近光速)。這類電子壽命通常很短暫，並且能量會在幾分鐘內迅速消散。但五天後，由風暴造成的其他影響早就銷聲匿跡之後，范艾倫探測器依然探測到高能電子的數量還在增加。

范艾倫探測器科學家Shri Kanekal表示，震蕩波將電子推出磁層邊緣區域，在這個過程中，電子會獲得能量。輻射帶中的電子能通過許多方式獲得能量或獲得加速：徑向加速、本地加速、通過震蕩波加速。徑向加速是指，低頻波攜帶電子向地球前進;本地加速是指，當電子圍繞地球運轉時，從相對頻率較高的波中獲得能量;通過震蕩波獲得加速則是由於星際震蕩波突然壓縮地球磁層，製造出大面積電場，使電子迅速充能。

科學家們分別研究各個過程來了解每個過程在電子充能中扮演了什麼角色。解決這個問題並不容易，另外電子充能的程度取決於它們是通過什麼過程充能的。可以把由震蕩波引起的加速比擬為推動鞦韆。把「推動」想像成增加能量的過程，用的推力越多，鞦韆就盪的越高。在這個情況下，這些額外的推力很可能會造成高能電子的第二個峰值。當震蕩造成的電磁波在磁層中徘徊時，它們會持續增加電子的能量。地磁風暴越強，這個過程就越持久。

2015年3月的地磁風暴是近十年來最強的一次地磁風暴，但與一些更早期的風暴比起來就相形見絀了。1991年3月的電磁風暴造成了充滿能量的電子在輻射帶中存在了數年之久。運氣好的話，未來范艾倫探測器在恰當的位置上觀測到更強大的地磁風暴會對輻射帶造成什麼影響。

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