范·艾倫帶

范·艾倫帶最早是由范·艾倫及其合作者在探險工作中發現的，它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。

1958年，美國“探險者1號”，首先觀測到地球內輻射帶，由范艾倫發現它。內輻射帶又稱為“范艾倫帶”。

基本介紹

• 中文名：范·艾倫帶
• 外文名：Van Allen radiation belt
• 發現：范·艾倫及其合作者
• 組成：地磁場中捕獲的高達幾兆電子伏
• 工作：美國繳獲的V2飛彈研究工作

發現歷史

在近層宇宙空間中，高能量的輻射遠比人們構想的要多。 高能輻射層在赤道附近呈環狀繞著地球，並向極區彎曲。這一輻射層的位置是變化的，通常就被稱為范艾倫輻射帶。六十年代初又被正式命名為磁層。 從磁層的形狀來看，磁層中的粒子好像是被地球的磁場所束縛，並繞地球兩極間的磁力線作螺旋形分布（埃爾澤塞爾認為磁力線起源於地球內部深處）。1958年8月，利用在地面上數百英里上空爆炸的一顆核子彈進行了驗證這個實驗稱之為“阿格斯”（希臘神話中的百眼巨人）計畫”。由核彈所產生的帶電粒子的分布，證實了磁場確是磁層形成的決定因素，磁層這一名稱便正式得到了採用。在1962年，另一些由范艾倫率先支持的高空實驗，證實了磁層會發生變化，這使科學家們普遍感到意外。 磁層的存在，以及由於太陽的色球爆發，使輻射強度發生突然和不能預料的增加，似乎是人類進行宇宙探索的障礙。但是後來人類的一系列航天活動，證明磁層的存在並不是人類進行宇宙探索的障礙。

主要理論

從幾百千米到6000千米的低空稱為“內帶”，有高能電子的6000km以上的高空稱為“外帶”。一旦帶電粒子被捕獲，洛倫茲力便控制它們在地磁層中的運動。

由於范艾倫曾經領導了美國繳獲的V2飛彈研究工作，並且范艾倫對宇宙射線的興趣，所以在火箭上攜帶著測量近層宇宙空間的宇宙射線和其他高能粒子的儀器測量高能粒子成為可能。范愛倫首次在“探險者I號”安裝了這些儀器，但是這些計數器到達很高的高度時，就失去計數能力。1958年3月發射的“探險者III號”上所攜帶的更可靠的計數器也是這樣。 范艾倫由過去的經驗假想，計數器的停止計數，可能並不是由於粒子數目真地降到零，也許是於是由於粒子數目太多，計數器根本來不及計數。他設計了一個由銅遮蔽的計數器，使它只能接受粒子中的一小部分。這種計數器在1958年7月26日由“探險者IV”號送入空間，計數的結果證實了他的假設。

范艾倫帶加速粒子

1958 年，空間科學家詹姆斯·范艾倫和同事發現了高速粒子以兩個同心圓的方式環繞地球運行的輻
射帶，稱之為范艾倫輻射帶。幾年之後，研究人員推斷，這些同心圓中的粒子來自遙遠的地球磁氣圈且
由地球磁場所控制，當漂移接近地球且遇到更強的磁場時，就會被加速並進入一個環狀的運行軌道。同
時認為，整個加速過程需要幾天到幾周的時間，而且輻射帶只隨時間逐漸變化。
20 世紀 90 年代，科學家開始了范艾倫輻射帶的衛星在軌飛行探測，結果發現其能量和密度的變化非
常迅速且時間很短，而不是幾天到幾周。於是，關於輻射帶電子來源有一個新的觀點：帶電粒子並不是
來自遠方，而是在原地產生——輻射帶中的電場直接從游離原子中得到電子，並將其加速近至光速。該
過程會在數秒至數小時的時間裡使輻射帶的能量發生巨變。這一理論與觀測結果更為吻合，從而激發了
科學家的研究熱情。
2012 年 8 月，美國 NASA 發射了范艾倫帶輻射探測器——由兩顆相同的衛星組成，可同時從不同位
置和角度對輻射帶進行觀測。同年 10 月初，在太陽風暴耗盡輻射帶最外層大多數電子的一周后，兩個探
測器記錄了電子密度在不到12 h里有近 1000 倍的激增。
新罕布夏大學空間科學家 Harlan Spence 認為，這兩顆衛星的觀測結果支持輻射帶內的電場加速電
子的說法。他還認為，輻射帶中一些電磁波頻率與電子在附近磁場運行的頻率吻合，這樣的同步使帶電
粒子的加速變得容易。然而，衛星觀測的範圍仍然太過稀疏，而且衛星又不是為觀測輻射帶在不同位置
的快速變化特性而設計的，因此，要想完全區分這兩種加速模式，需要專門為其設計探測衛星。得克薩
斯州西南研究院的空間物理學家 David McComas 評論稱，該觀測結果“清楚地說明了大量粒子加速可以
在輻射帶中心位置發生” 。McComas 同時認為，高能粒子原地加速是一個普遍的物理過程，“如果它發生
在地球范艾倫輻射帶的中心位置，它也可能發生在木星和土星，甚至是太陽系之外磁化恆星的行星周圍
更強烈的輻射帶中。”

第三個范艾倫帶

一直以來，科學家認為我們地球附近只存在兩個范艾倫輻射帶，但一項新發現推翻了該認知——第三個迄今才觀測到的范艾倫輻射帶，其中還含有致命的高能粒子。這是由美國航空航天局（NASA）利用探測器在地球
周圍發現的結果，第三個范艾倫輻射帶的發現，對於研究地球空間氣象、太陽變化對地球影響，以及航天事業的安全等具有重要意義。所謂范艾倫輻射帶，是環繞地球的高能粒子輻射帶。由詹姆斯·范艾倫於1958年發現。當時，美國數顆人造衛星在發射升空過程中都出現儀表設備失靈的情況。范艾倫判斷並證實，高能輻射導致了這一
異常狀況。從此之後，全世界研究空間氣象的科學家都開始研究並解釋這些輻射帶形成原因，以及如何對外層輻射帶經常發生的劇烈膨脹或收縮現象進行預測，並逐漸形成“磁層物理”這一全新的科學領域。

范艾倫輻射帶堪稱一台自然的“粒子加速器”。與之相比，人類最值得驕傲的科技裝備——歐洲大型強子對撞機
（LHC）也不得不俯首稱臣。這個由被地球磁場捕獲的帶電粒子構成的輻射帶，有著類似於甜甜圈一樣的形狀。其中的帶電粒子，有的源自宇宙射線，有的隨太陽風而來。從外觀上看，仿佛兩個環繞著地球的巨大同心圓，縱貫於地球表面上空1600至32000公里的範圍內。范艾倫輻射帶經常因太陽風暴和其他空間天氣事件而劇烈膨脹，一直給衛星通訊、GPS定位系統和太空人的人身安全造成嚴重威脅。

在研究范艾倫輻射帶方面，美國作為老牌航天強國依然走在最前面。第三個范艾倫輻射帶的發現，就歸功於2012年8月30日美國航空航天局發射的兩顆攜帶電子質子望遠鏡等最精良儀器的探測衛星。它們的任務就是對范艾倫帶進行專門研究，包括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等等。

新輻射帶的出現，是已知輻射帶受到同期太陽耀斑活動影響的結果。巨大的日珥向地球方向噴射了大量粒子和衝擊波，對已知輻射帶的外側部分造成重創。在隨後的幾個月時間裡，殘存部分與新生的部分涇渭分明，形成三個范艾倫輻射帶同時存在的局面，並被人們發現。

輻射帶風暴探測器

美國航空航天局 8 月 30 日晨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。

這一任務名為“ 輻射帶風暴探測器” ，兩顆衛星質量均不到 1500 磅（約 680 kg），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 d 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。