地球輻射帶

地球輻射帶指地球周圍空間大量高能帶電粒子的聚集區，又稱為Van Allen輻射帶，它分為內外兩個帶，它們在向陽面和背陽面各有一個區，內輻射帶是離地面較近，而外輻射帶離地面較遠。它是由於地磁場約束高能粒子（以MeV記）形成的特定區域。

基本介紹

• 中文名：地球輻射帶
• 外文名：Van Allen zone
• 形成原因：大量高能電子聚集
• 發現時間：1959年

結構

地球輻射帶分為內外兩個帶，它們在向陽面和背陽面各有一個區，內輻射帶是離地面較近，而外輻射帶離地面較遠。

內輻射帶的中心位置到地心的距離約1.5個地球半徑，外輻射帶的中心離開地心距約在3－4個地球半徑。向陽面和背陽面的內外輻射帶的粒子環境在空間上並不是完全對稱的。

內輻射帶簡稱內帶，內帶中含有大量的高能質子和電子，在無太陽質子事件並且地磁擾動不大的情況下，內輻射帶中高能質子和電子的空間分布和強度相當穩定，稱之為穩定的內輻射帶。

它並不是永遠不變的，還受地磁場長期變化的影響，而使輻射帶的空間分布和強度的發生變化，空間分布的長期變化與南大西洋負磁異常區的變化趨勢基本一致，強度的變化則要進行大量的探測。

內帶中對衛星和太空人的威脅主要來自高能的質子。外輻射帶對衛星和太空人的威脅主要來自高能的電子。

位置

這兩條地球輻射帶對稱於地球赤道排列，且只存在於低磁緯地區上空。內輻射帶的中心約在1.5個地球半徑，範圍限於磁緯±40°之間，東西半球不對稱，西半球起始高度低於東半球，帶內含有能量為50兆電子伏的質子和能量大於30兆電子伏的電子。外輻射帶位於地面上空約2～3個地球半徑處，厚約6000公里，範圍可延伸到磁緯50°～60°處，其中的帶電粒子能量比內帶小。一般說來，在內輻射帶里容易測得高能質子，在外輻射帶里容易測得高能電子。

地球輻射帶是空間探測時代的第一項重大天文發現。1992年2月初，美國和俄羅斯的空間科學家宣布，他們發現了地球的第三條輻射帶。新輻射帶位於內外范艾倫帶當中的位置，是由所謂的反常宇宙線——大部分是丟失一個電子的氧離子構成的。

分類

輻射帶分為：①內輻射帶：高度在1～2個地球半徑之間,範圍限於磁緯度±40°之間,東西半球不對稱。西半球起始高度比東半球低,最高處可在9,000公里處開始。兩半球都向赤道方面凸出。帶內含有能量為50兆電子伏的質子和能量大於30兆電子伏的電子。②外輻射帶：高度在3～4個地球半徑之間，起始高度為13,000～19,000公里，厚約6,000公里,範圍可延伸到磁緯度50°～60°。外帶比較稀薄。外帶內的帶電粒子的能量比內帶小，但遠遠超過外大氣層中粒子的熱運動能。

被俘獲的帶電粒子實際上分布於整個地磁場，所以輻射帶的界限並不分明，只是帶內帶電粒子的密度比其他區域大。輻射帶中，內帶的帶電粒子數是相對穩定的，外帶則變化較大,差別可達到100倍。一般來講，在內帶里容易測到高能質子，在外帶里容易測到高能電子。

輻射帶的範圍和形狀受地磁場的制約，也和太陽活動有關，在朝太陽的方向被太陽風所壓縮。輻射帶中的帶電粒子數也同地磁場和太陽活動的變化有關。

早在20世紀初，就有人提出太陽在不停地發出帶電粒子，這些粒子被地球磁場俘獲，束縛在離地表一定距離的高空形成一條帶電粒子帶。50年代末60年代初，美國科學家范艾倫根據“探險者”1號、3號、4號的觀測資料證實了這條輻射帶的存在，確定了它的結構和範圍，並發現其外面還有另一條帶電粒子帶，於是離地面較近的輻射帶稱為內輻射帶，離地面較遠的稱為外輻射帶，因是范艾倫最先發現的，故又稱為內范艾倫帶和外范艾倫帶。

主要因素

影響地球輻射帶空間分布和強度的主要因素有：太陽活動的水平、地磁長期變化、地磁短期變化（磁暴）、太陽宇宙線事件。

地磁場

地磁場俘獲的帶電粒子帶。輻射帶內的帶電粒子是太陽風、宇宙線與地球高層大氣相互作用而產生的高能粒子。它們在地磁場的作用下，沿磁力線作螺旋運動並不斷輻射出電磁波。1905年，斯托米根據極光觀測曾經預言過它的存在。1958年，范愛倫分析人造地球衛星探測器的資料，於1959年證實它的存在，因此也稱作范愛倫帶。地球輻射帶在地球磁層內，但只存在於一定磁緯地區的上空，而不存在於南北磁極和高磁緯地區的上空。

磁層

20世紀初有人提出太陽在不停地發出帶電粒子，這些粒子被地球磁場俘獲，在地球上空形成一個帶電粒子帶。50年代末60年代初，美國科學家范·艾倫（James Alfred Van Allen）根據宇宙探測器探險者1號、3號和4號的觀測，證明了帶電粒子帶的存在。地球輻射帶分為兩層，形狀有點像是砸開成兩半的核桃殼。離地球較近的輻射帶稱為內輻射帶，較遠的稱為外輻射帶，也分別稱為內、外范·艾倫帶。輻射帶從四面把地球包圍了起來，而在兩極處留下了空隙，也就是說，地球的南極和北極上空不存在輻射帶。最近兩年有訊息說，美國和俄羅斯的天文學家在內外輻射帶之間又發現了第三條輻射帶。

過去人們一直認為地球磁場和一根大磁棒的磁場一樣，磁力線對稱分布，逐漸消失在星際空間。人造衛星的探測結果糾正了人們的錯誤認識，繪出了全新的地球磁場圖象：當太陽風到達地球附近空間時，太陽風與地球的偶極磁場發生作用，把地球磁場壓縮在一個固定的區域裡，這個區域就叫磁層。磁層像一個頭朝太陽的蛋形物，它的外殼叫做磁層頂。地球的磁力線被壓在"殼"內。在背著太陽的一面，殼拉長，尾端呈開放狀，磁力線像小姑娘的長髮，"飄散"到二百萬千米以外。磁層好像一道防護林，保護著地球上的生物免受太陽風的襲擊。地球的磁層是個非常複雜的問題，其中許多物理機制需要進一步的研究和探討。最近十年，科學家已經把磁層的概念擴展到其它的一些行星，甚至發現宇宙中的中子星、活動星系核電具有磁層結構的特徵。

神秘結構

據國外媒體報導袁美國宇航局的科學家在地球周圍發現一個神秘結構，好似一個巨型斑馬紋夾克。在此之前，科學家從未發現這個奇異結構。它的發現讓科學家陷入迷惑之中。據悉，這件“巨型夾克”是宇航局的范-艾倫雙子探測器在地球周圍的其中一個輻射帶內發現的。地球周圍有兩個輻射帶袁內側輻射帶充斥著電子，外側輻射帶充斥著質子。

這件“巨型夾克”由地球的緩慢旋轉產生。科學家認為這個巨型結構不會影響輻射帶粒子的運動。輻射帶內的粒子速度接近光速，科學家此前認為增強的太陽風活動是地球輻射帶內任何結構形成的主要因素。令科學家感到吃驚的是，這些斑紋即便在低太陽風活動時也能觀測到，促使他們進行一項新研究，研究它們如何產生。

研究論文主執筆人約翰斯-霍普金斯大學套用物理實驗室的亞歷山大-烏克霍爾斯基表示：”藉助於解析度空前的高能粒子實驗裝置RBSPICE，我們能夠深入了解內側輻射帶的電子，這個輻射帶的電子通常呈現出斑紋圖案。”

由於地球磁場軸的傾斜，地球的旋轉產生一個振盪的弱電場，刺透整個內側輻射帶。這個伸展和摺疊過程導致整個內側輻射帶出現斑紋圖案。在地球大氣層——距地面大約 500 英里(約合 804 公里)——上方延伸，連綿大約 8000 英里(約合 1.3 萬公里)。范-艾倫雙子探測器項目科學家，宇航局戈達德太空飛行中心的大衛-希伯格表示：“RBSPICE裝置擁有令人吃驚的解析度，允許我們觀測到此前未知的現象，更重要的是，我們擁有一批出色的科學家，利用空前的觀測數據進行研究。如果沒有理論家的分析袁我們無法解釋這些數據。”

北斗衛星

北斗衛星軌道穿越地球外輻射帶 , 安裝在北斗衛星上的高能電子探測器、 輻射劑量儀及表面電位探測儀對外輻射帶的高能電子環境、輻射劑量效應和表面充電效應進行了探測，獲得了空間環境寧靜期和小地磁暴事件後 的外輻射帶高能電子分布和結構、衛星所受輻射劑量變化情況和衛星表面充電情況。這是我國首次獲得該衛星軌道的高能電子分布、輻射劑量的變化趨勢和表面充電開展空間環境探測

利用北斗衛星高能電子探測器、 輻射劑量儀和表面電位探測儀的探測結果對高能電子、輻射劑量水平和表面充電情況進行了分析和討論，結果表明：在北斗衛星軌道空間，即便是在太陽活動的谷年，空間環境寧靜期的高能電子通量均維持在較高的水平上；而且高能電子環境對地磁擾動等空間環境背景的擾動十分敏感 , 中小量級的地磁擾動就可導致軌道空間高能電子通量水平發生數量級的增長，且高能電子通量能在增長後的水平上維持較長 的時間；衛星軌道空間的表面充電效應對地磁場背景的擾動非常敏感 , 發生地磁場擾動 時 , 衛星表面電位可在數分鐘內由-50伏迅速充電到- 6000伏左右；並且在地磁暴事件後，在十幾天內，當衛星穿行於輻射帶中時，衛星表面電位均維持在負幾百伏的水平上；北斗衛星軌道粒子輻射很強，因此輻射劑量增長較快，該軌道輻射劑量增長較之低地球軌道(地球內輻射帶) 高出約1個數量級。