我們能否切入范艾倫輻射帶？

一項大膽的計劃可能會消除

對地球衛星有損害的輻射

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地球周圍的輻射帶充滿了危險的質子和電子，它們可能會損壞航天器。研究人員開展實驗，研究是否可以通過無線電波爆破清除那些構成威脅的高能粒子。

人類開始探索太空時，第一項重大發現就是范艾倫輻射帶，它是由被磁場控制的高能帶電粒子組成的環形區。范艾倫輻射帶主要由兩層組成：內層帶大致位於地球表面1000千米以上，延伸至9600千米處；而外層帶在地球上空大約13500千米至58000千米之間綿延。各輻射帶的位置和形狀可能各不相同，也可能完全重合。

高能質子位於內層帶區域，其大小在幾十年間都可保持基本穩定。而外層帶中充滿了高能電子，其尺寸和形狀可能在數小時或數天內發生巨大變化。

范艾倫輻射帶的巨大輻射會使通過這片空間或在這片軌道中運行的大量衛星存在風險。但還是有辦法使航天器對抗輻射的。比如，航天器表面被稱為電子發射器的長釘就能夠將過量的低能電子反射出去，否則這些電子就可能會積聚併產生火花。此外，屏蔽層可以幫助阻止高能質子和電子穿透非導電材料並在其內部積聚，從而避免破壞性的放電。

然而，經過幾十年的建模和觀察，我們得出了一個更具戲劇性的解決方案：利用精心調諧的電磁波來驅動這些外空間的粒子，使其進入地球大氣層。科學家們首先探討了在外層帶驅散電子的想法，而現在，他們又瞄準了內層帶的質子。

「人類可能控制如此巨大的空間，這真是讓人難以置信。」加州大學洛杉磯分校的空間物理學家雅各布?博爾特尼克（Jacob Bortnik）曾說，「在地球上，我們一直在控制自然，比如築壩，將來在太空也可以做到這一點，這太令人神往了，有點像科幻小說。」

輻射清除策略包括利用地面巨型無線電發射器向上發射甚低頻（VLF）波。在原則上，這些波可以與輻射帶上的電荷相互作用，使其分散開來，並將它們驅趕到高層大氣中。

「其結果將會有點兒像極光，雖然你看不到。」博爾特尼克說。

這種方法的問題是要使甚低頻波通過電離層，那是位於地表以上約80至640千米的大氣層。博爾特尼克說：「電離層的導電性很強，所以很難使信號有效地穿越它。」

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另一種策略是將發射甚低頻波的衛星投放在輻射帶上。博爾特尼克說，「問題是你需要大量的能量。」而將大型天線安裝在太空船上也是具有挑戰性的。

儘管如此，博爾特尼克指出，如果發射的衛星攜帶一台儀器，用於監控在太空傳播的甚低頻波可能會對這些危險的電子造成哪些影響。博爾特尼克說：「這些實驗可以證明甚低頻波的實際作用，也許會改變我們對清除電子所需工作的想法。」

清除范艾倫輻射帶最初的工作是以電子為目標的，因為它們往往會由於高空核爆炸而被困在那裡。1962年，美國名為Starfish Prime的高空核武器實驗生成了一條高能量的人工電子帶，損壞了第一顆商用通信衛星TelStar 1，因此，研究人員尋找了各種途徑來保護飛船免受太空中核武器的威脅。

然而，科學家們研究的是內層帶的質子。瑪利亞?德?索里亞-聖克魯斯?皮赫（Maria de Soria-Santacruz Pich）表示，清除這些質子可能有助於開闢新的有價值的衛星軌道，並使航天員的飛行更加安全，她在麻省理工學院的博士研究課題是控制范艾倫輻射帶。但這也許是不可能的。

「質子很重，比電子約重2000倍，所以，想像一下，如果一個質子擊入一片硅中，它比電子造成的傷害要大得多。」博爾特尼克說，「將它們清除乾淨將是一件好事。」

皮赫和她的同事發現，一種被稱為電磁離子迴旋（EMIC）波的甚低頻電磁波可能會驅散內層帶中的質子。皮赫表示，這一策略不會給地球帶來任何危害——質子群在大氣中幾乎是可以被忽略的。

皮赫和她的同事為此改進了計算空間天線需使用的頻率和功率的策略。然而，皮赫也發現，要驅散這個區域中的所有質子，需要100萬根15米長的天線工作幾年時間，她說：「目前，這的確是不可行的。」

但是，皮赫指出，她的計算假設這些天線產生的電磁波不會在內層帶中來回反射。如果它們發生反射，就會大大提高其有效性，使這個策略成為可能。她說，一項衛星任務會決定這一策略的成敗，但即使只是提出這項任務，也還需要進行許多工程工作。

還不確定清除這些輻射帶是否會帶來無法預料的後果。「我們認為清除它們不會有什麼負面影響，但就像地球物理學中的所有事物一樣，我們很難知道各種系統的複雜聯繫，並預測完全清除輻射帶所帶來的全面影響。」博爾特尼克表示，「這是我們所能了解的全部了。」

作者：Charles Q. Choi

>>>本文為原創，轉載請回復。

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