范艾倫輻射帶

范艾倫輻射帶，指在地球附近的近層宇宙空間中包圍著地球的高能粒子輻射帶，主要由地磁場中捕獲的高達幾兆電子伏的電子以及高達幾百兆電子伏的質子組成，其中只有很少百分比像O+這樣的重粒子。范艾倫輻射帶分為內外兩層，內外層之間存在范艾倫帶縫，縫中輻射很少。范艾倫輻射帶將地球包圍在中間。范艾倫帶內的高能粒子對載人空間飛行器、衛星等都有一定危害，其內外帶之間的縫隙則是輻射較少的安全地帶。由美國物理學家詹姆斯·范艾倫於1958年發現並以他的名字命名。

基本介紹

• 中文名：范艾倫輻射帶
• 外文名：van allen radiation belts
• 發現者：詹姆斯·范艾倫
• 發現年代：1958年
• 學科：物理
• 領域：天文

簡介

范艾倫輻射帶，指在地球附近的近層宇宙空間中包圍著地球的高能粒子輻射帶，主要由地磁場中捕獲的高達幾兆電子伏的電子以及高達幾百兆電子伏的質子組成，其中只有很少百分比像O+這樣的重粒子。范艾倫輻射帶分為內外兩層，內外層之間存在范艾倫帶縫，縫中輻射很少。范艾倫輻射帶將地球包圍在中間。范艾倫帶內的高能粒子對載人空間飛行器、衛星等都有一定危害，其內外帶之間的縫隙則是輻射較少的安全地帶。

形成原因

范艾倫帶粒子的主要來源是被地球磁場俘獲之太陽風粒子，這些帶電粒子在范艾倫帶兩轉折點間來回運動。當太陽發生磁暴時，地球磁層受擾動變形，而局限在范艾倫帶的高能帶電粒子大量洩出，並隨磁力線於地球的極區進入大氣層，激發空氣分子產生美麗的極光。

分布範圍

目前一般認為范艾倫輻射帶的緯度範圍是南北緯40°~50°之間；高度範圍分兩段：內帶1500~5000km，外帶13000~20000km。

第三個輻射帶

2013年，貝克帶領一支科研小組利用2012年美國宇航局發射的雙胞胎范艾倫探測器發現了介於內層輻射帶和外層輻射帶之間的第三層、短暫的“存儲層”，後者似乎會在空間天氣密集期產生和消失。這一發現有助於科學家了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衛星以及太空人構成嚴重威脅。

太陽表面噴射出一個巨大的日珥

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。

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畫。

影響

一般來說，內輻射帶里高能質子多，外輻射帶里高能電子多。輻射帶會對人類身體造成巨大傷害，因此，它是人類進行星際轉移的巨大障礙。

同時，輻射帶也影響哈伯望遠鏡的觀測，因為哈伯處在相當低的軌道，離地僅559公里來運行。因此，當哈伯通過南大西洋上空時必須暫時關閉觀測視窗。因為范艾倫輻射帶剛好在這裡碰觸到地球的上層大氣，如果開啟觀測的話，可能會損壞哈伯的觀測元件。

研究歷程

20世紀初，挪威空間物理學家斯托默從理論上證明，

在地球周圍存在一個帶電粒子捕獲區（大部分區域處於後來發現的輻射帶內）。

范艾倫輻射帶

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。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。

范艾倫輻射帶的發現衍生出了磁層物理這一全新的研究領域，目前（截止到2010年）全球共有20多個國家的1000多名科學家從事該領域的研究。

美國航天局2012年8月9日宣布，該機構將於8月23日發射兩個探測器，研究地球上空的輻射帶——范艾倫帶。

這一任務名為“輻射帶風暴探測器”，將持續兩年。兩個探測器將進入橢圓形軌道，研究范艾倫帶內的粒子如何產生、它們在太空氣候事件中的活動以及促使這些粒子加速的機制。

項目科學家、約翰斯·霍普金斯大學教授巴里·毛克表示，地球上空輻射帶由太空氣候事件導致的劇烈變動具有高度不可預測性，“輻射帶風暴探測器”任務的最根本目標是理解輻射帶如何形成及演化。

當地時間2012年8月30日，美國航天局從卡納維拉爾角空軍基地發射兩顆衛星，用於研究地球上空的輻射帶范艾倫帶。兩顆衛星在一枚宇宙神V－401火箭的運送下升空。1小時18分後，首顆衛星與火箭分離，又過了約13分後，第二顆衛星也與火箭分離。這一任務名為“輻射帶風暴探測器”，兩顆衛星重量均不到1500磅（約680公斤），均配備有保護性鍍層和耐用電子元件，可在范艾倫帶惡劣的太空氣候中開展探測活動。兩顆衛星將進入橢圓形軌道，攜帶的科學儀器將在60天內陸續啟動，研究范艾倫帶內的粒子如何產生、這些粒子在太空氣候事件中的活動以及促使它們加速的機制。有助於研究並最終預測范艾倫帶如何應對太陽噴發物質，以及保護地球上空的衛星，理解太空氣候如何影響地球的通信情況。

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太空飛行器同時觀測輻射帶，它們能彼此交換信息以獲得更多的數據。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。整個任務原計畫持續兩年，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天后）就要求啟動他們的儀器。他們這么做的原因是希望比較在另一個太空飛行器——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）。

美國科學家正在研製一種低成本的小型衛星，用來探測包圍在地球周圍的神秘“范艾倫輻射帶”（Van Allen radiation belts）。這顆被稱為“緊緻相對論電子與質子望遠鏡”(CREPT)的衛星重量僅僅3.3磅（約合1.5千克）。

范艾倫輻射帶

這顆固態小型望遠鏡屬於美國宇航局“低成本太空項目”的一部分，它將用來測量“范艾倫輻射帶”中的高能電子和質子（該輻射帶像巨大的甜甜圈一樣包圍在地球的周圍）。

三年之後，這顆小衛星將會搭乘獵鷹9號火箭（Force Falcon 9 rocket）進入極地低軌道，這是對目前運行於赤道高軌道上的“范艾倫輻射帶”測量衛星（RBSP）的重要補充。

研究困惑

“范艾倫輻射帶”最早是由美國宇航局的“探索者一號”飛船發現的。長期以來，科學家對其中的許多謎團感到困惑。其中，內輻射帶位於距地1000英里到8000英里的範圍，穩定性非常好。然而，位於12000到25000公里的外輻射帶變化幅度很大。當太陽風暴期間，外輻射帶可以膨脹100多倍，能夠吞噬通信衛星和科學衛星，使它們暴露在有害的輻射當中。

更令人困惑的是，外輻射帶對太陽風暴的相應並不總是一樣。有時候輻射帶發生膨脹，有時候反而收縮。CREPT衛星的首要任務就是找出外輻射帶丟失電子的物理機制。