辐射带介绍

  1957年,苏联发射的人类第一、二颗人造卫星斯普特尼克1号和2号相继上天,当苏联人沉浸在任务成功的喜悦中时,由于没有及时获取并分析辐射数据,他们不知道这两颗卫星正穿越一个未知的死亡地带,他们也因此与一个伟大发现失之交臂。1958年,美国的第一颗人造卫星探险者1号(Explorer 1)成功入轨,通过分析卫星携带的辐射探测器数据,美国艾奥瓦大学的物理学家詹姆斯·范·艾伦发现了环绕地球的辐射带。因此地球辐射带又常被称作范·艾伦带,范·艾伦还因此荣登翌年《时代》杂志的封面。

图一:范·艾伦荣登翌年《时代》杂志的封面

  地球辐射带分为内辐射带和外辐射带,存在这大量的能量质子和电子。 内辐射带(1.2<L<2, L 为磁壳数)相对稳定, 而外辐射带(3<L<8)在地磁活动期间呈现出显著的动态演化特征。在磁暴过程中, 外辐射带的高能电子通量可以在几小时至几天时间的时间尺度内变化1到3个数量级。这些高能电子会严重影响在轨航天器的正常工作, 甚至对宇航员的健康造成威胁。因此, 研究和预报外辐射带高能电子演化过程具有重要的科学和现实意义,而波粒相互作用被认为是导致辐射带中动态演化的重要物理机制。

图二:地球辐射带示意图

  地球磁场捕获的辐射带高能带电粒子的运动可以分解为绕磁力线的回旋运动, 沿磁力线的弹跳运动和垂直磁力线的漂移运动;同时辐射带空间中分布着各种性质各异、频率不同的等离子体波;当这些波与周期运动的能量粒子发生共振相互作用时,就会导致波的增强或衰减以及粒子的加速或损失,因此影响辐射带的动态演化。

图三:辐射带中波和粒子相互作用概览

参考资料:http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/4/345443.shtm?id=345443