重大發現:地球的周圍存在致命輻射帶

  核心提示:學家一直認為地球周圍只有兩個范艾倫輻射帶,但兩個探測器(2012年夏季發射的范艾倫探測器)搭載的儀器發現的粒子顯示存在第三個短暫的輻射帶

  美國宇航局的太空探測器在地球周圍發現第三個此前未知的范艾倫輻射帶,這一發現有助於科學家瞭解太陽如何以及何時對地球帶來危害。范艾倫輻射帶是一個甜甜圈形區域,含有“致命電子”,環繞我們的星球。這一輻射帶經常因為太陽風暴和其他空間天氣事件膨脹,對衛星通訊、GPS衛星以及宇航員構成嚴重威脅。

  發現第三輻射帶

  科學家一直認為地球周圍只有兩個范艾倫輻射帶,但兩個探測器(2012年夏季發射的范艾倫探測器)搭載的儀器發現的粒子顯示存在第三個短暫的輻射帶。科學家觀測到這個第三個輻射帶的形成,一共持續了4周時間,最後被來自太陽的一場強烈的行星際衝擊波殲滅。
 

  藝術概念圖,展示了范艾倫輻射帶。

  美國新罕布什爾州大學的哈蘭-斯賓塞表示:“在對輻射帶進行了數十年的研究之後,我們發現了一個全新的輻射帶。借助於范艾倫探測器的觀測儀器,我們就如同擁有一雙眼睛,看到這個引人注目的現象。我們期待著這項任務的其他發現,以便確定出現這種極端輻射帶的頻率以及可能出現的動力學現象。”斯賓塞是操控范艾倫探測器的研究小組成員。

  范艾倫輻射帶是太空時代的第一項重大發現。美國宇航局的“先驅者3”號和“探索者4”號探測器(都在1958年發射升空,攜帶詹姆斯-范艾倫研製的儀器)傳回的數據揭示地球周圍存在兩個截然不同的高能電子環形區域。在最初發現范艾倫輻射帶時,科學家認為它們是相對比較穩定的結構,但隨後進行的觀測顯示它們實際上非常活躍,不斷發生變化同時充滿神秘色彩。

  2012年8月30日,宇航局發射了輻射帶風暴探測器——隨後更名為“范艾倫探測器”——進一步研究輻射帶。范艾倫輻射帶對衛星、宇航員和地球上的技術系統構成威脅,進一步加深對輻射帶的瞭解至關重要,因為現代社會對基於太空的技術的依賴程度越來越高。加深對輻射帶形成和數量的認知同樣有助於科學家瞭解太陽風暴如何以及何時對地球帶來危害。

  帶有一定偶然性

  第三個范艾倫輻射帶的發現帶有一定偶然性,因為發現輻射帶的儀器——范艾倫探測器搭載的相對論電子質子望遠鏡(以下簡稱REPT)打開的時間早於原定計劃。宇航局在一份聲明中表示:“這是一個幸運的決定。在REPT打開前不久,太陽活動釋放的能量奔向地球,導致輻射帶膨脹。”正如所預料的一樣,REPT 9月傳回地球的數據仍顯示只存在兩個范艾倫輻射帶。

范艾倫輻射帶的剖面圖,兩個范艾倫探測器從中穿過。

  但就在幾天之後,外環似乎壓縮成一個強烈而緊湊的電子帶,第三個不太緊湊的電子帶形成,輻射帶從兩環變成三環。范艾倫探測器項目科學家什裡-卡耐卡爾表示:“到了REPT打開後的第五天,我們觀測到第三個輻射帶。最初,我們還懷疑儀器出了問題。我們進行了全面檢查,但並沒有發現任何問題。觀測結果顯示第三個輻射帶一共存在了4周時間。”

  美國科羅拉多州大學玻爾得分校的丹-貝克指出:“這一發現太怪異了。我當時認為一定是儀器出了故障。然而,另一個探測器得出了相同的發現。這促使我們得出發現第三個輻射帶的結論。”貝克所在的實驗室設計和製造了REPT。

  新罕布什爾州大學的天體物理學家斯賓塞表示這是一個“尤利卡時刻”。他說:“帶著驚奇,我們看著外側的輻射帶快速消失。不過,這個輻射帶並沒有完全消失,內緣仍殘留著少量泛著銀色的高能電子,我們將它稱之為‘存儲環’。在隨後幾天外側電子帶變形時,這個帶距離存儲環所在位置更遠,形成一個短暫的三帶結構。教科書就在我們眼前被改寫。”

  探測器功不可沒

  在9月的第三周,距離地球最遠的中部“存儲環”開始消失。最後,來自太陽的一場強烈的行星際衝擊波徹底殲滅了“存儲環”以及外側帶的其他部分。科學家指出外側的范艾倫輻射帶極為不穩定,不時會出現帶電粒子膨脹,導致它們逃逸,具體程度取決於空間天氣。在此之前,科學家從未觀測到這個三帶結構,甚至沒有在理論上提出存在這種結構。

  在“存儲環”和外側輻射帶消失後幾個月,范艾倫輻射區變形為原來的兩帶結構。貝克教授表示:“我們對這種現象的出現頻率一無所知。這種現象可能非常頻繁,但我們沒有相應的儀器進行觀測。利用高解析度觀測儀器觀測到外側帶的時空和能量活動還是第一次。此前對外側輻射帶進行的觀測所呈現的景象比較模糊。在發射後第二天打開REPT時,一場強烈的電子加速活動已在進行當中,我們清晰地看到新輻射帶以及這個輻射帶與外帶之間新形成的縫隙。”

范艾倫輻射帶對衛星、宇航員和地球上的技術系統構成威脅,加深對輻射帶的瞭解至關重要。

  兩個范艾倫探測器一模一樣,負責對輻射帶進行觀測,對種類繁多的能量和粒子進行編目,追蹤穿過輻射區的磁波。這兩個探測器沿著橢圓形軌道環繞地球運行,能夠在穿過輻射區時從兩個輻射帶的心臟地帶向地球傳送觀測數據。范艾倫探測器搭載了5台儀器,允許科學家獲取輻射帶的數據,細節達到空前程度。

  兩個探測器傳回的數據有助於科學家進一步瞭解空間天氣如何影響近地現象。加深對輻射帶形成和數量的認知同樣有助於科學家瞭解太陽風暴如何以及何時對地球帶來危害。斯賓塞表示:“我們觀測到的現象非常引人注目,允許我們在一定程度上改進輻射帶動力學理論並加以驗證,進而提高我們預測它們行為的能力。這對於瞭解空間天氣非常重要,能夠提高在危險太空區域活動的宇航員和航天器的安全性。”在2月28日刊登的一篇論文中,科學家詳述了他們的研究發現。





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