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地球周围发现第三个辐射带含致命电子(图)

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2013/03/06

2013年03月06日 09:19 新浪科技

　　艺术概念图，展示了范艾伦辐射带。范艾伦辐射带是一个甜甜圈形区域，含有“致命电子”，环绕我们的星球。这一辐射带经常因为太阳风暴和其他空间天气事件膨胀，对卫星通讯、GPS卫星以及宇航员构成严重威胁

　　范艾伦辐射带的剖面图，两个范艾伦探测器从中穿过。范艾伦辐射带是环绕地球的甜甜圈形区域，含有高能粒子，主要是电子和离子

　　范艾伦探测器获取的高能电子数据，揭示了3个不连续的能量通道。白色椭圆框圈起的部分就是第三个辐射带和第二个辐射带。2012年10月1日，第三个辐射带因日冕物质喷射被彻底歼灭

　　2012年8月31日，太阳表面喷射出一个巨大的日珥，将粒子喷向地球同时形成一个奔向地球的冲击波。这一事件可能是第三个辐射带的形成原因

　　范艾伦辐射带对卫星、宇航员和地球上的技术系统构成威胁，进一步加深对辐射带的了解至关重要，因为现代社会对基于太空的技术的依赖程度越来越高

　　新浪科技讯北京时间3月6日消息，据国外媒体报道，美国宇航局的太空探测器在地球周围发现第三个此前未知的范艾伦辐射带，这一发现有助于科学家了解太阳如何以及何时对地球带来危害。范艾伦辐射带是一个甜甜圈形区域，含有“致命电子”，环绕我们的星球。这一辐射带经常因为太阳风暴和其他空间天气事件膨胀，对卫星通讯、GPS卫星以及宇航员构成严重威胁。

　　发现第三辐射带

　　科学家一直认为地球周围只有两个范艾伦辐射带，但两个探测器(2012年夏季发射的范艾伦探测器)搭载的仪器发现的粒子显示存在第三个短暂的辐射带。科学家观测到这个第三个辐射带的形成，一共持续了4周时间，最后被来自太阳的一场强烈的行星际冲击波歼灭。

　　美国新罕布什尔州大学的哈兰-斯宾塞表示：“在对辐射带进行了数十年的研究之后，我们发现了一个全新的辐射带。借助于范艾伦探测器的观测仪器，我们就如同拥有一双眼睛，看到这个引人注目的现象。我们期待着这项任务的其他发现，以便确定出现这种极端辐射带的频率以及可能出现的动力学现象。”斯宾塞是操控范艾伦探测器的研究小组成员。

　　范艾伦辐射带是太空时代的第一项重大发现。美国宇航局的“先驱者3”号和“探索者4”号探测器(都在1958年发射升空，携带詹姆斯-范艾伦研制的仪器)传回的数据揭示地球周围存在两个截然不同的高能电子环形区域。在最初发现范艾伦辐射带时，科学家认为它们是相对比较稳定的结构，但随后进行的观测显示它们实际上非常活跃，不断发生变化同时充满神秘色彩。

　　2012年8月30日，宇航局发射了辐射带风暴探测器——随后更名为“范艾伦探测器”——进一步研究辐射带。范艾伦辐射带对卫星、宇航员和地球上的技术系统构成威胁，进一步加深对辐射带的了解至关重要，因为现代社会对基于太空的技术的依赖程度越来越高。加深对辐射带形成和数量的认知同样有助于科学家了解太阳风暴如何以及何时对地球带来危害。

　　带有一定偶然性

　　第三个范艾伦辐射带的发现带有一定偶然性，因为发现辐射带的仪器——范艾伦探测器搭载的相对论电子质子望远镜(以下简称REPT)打开的时间早于原定计划。宇航局在一份声明中表示：“这是一个幸运的决定。在REPT打开前不久，太阳活动释放的能量奔向地球，导致辐射带膨胀。”正如所预料的一样，REPT 9月传回地球的数据仍显示只存在两个范艾伦辐射带。

　　但就在几天之后，外环似乎压缩成一个强烈而紧凑的电子带，第三个不太紧凑的电子带形成，辐射带从两环变成三环。范艾伦探测器项目科学家什里-卡耐卡尔表示：“到了REPT打开后的第五天，我们观测到第三个辐射带。最初，我们还怀疑仪器出了问题。我们进行了全面检查，但并没有发现任何问题。观测结果显示第三个辐射带一共存在了4周时间。”

　　美国科罗拉多州大学玻尔得分校的丹-贝克指出：“这一发现太怪异了。我当时认为一定是仪器出了故障。然而，另一个探测器得出了相同的发现。这促使我们得出发现第三个辐射带的结论。”贝克所在的实验室设计和制造了REPT。

　　新罕布什尔州大学的天体物理学家斯宾塞表示这是一个“尤利卡时刻”。他说：“带着惊奇，我们看着外侧的辐射带快速消失。不过，这个辐射带并没有完全消失，内缘仍残留着少量泛着银色的高能电子，我们将它称之为‘存储环’。在随后几天外侧电子带变形时，这个带距离存储环所在位置更远，形成一个短暂的三带结构。教科书就在我们眼前被改写。”

　　探测器功不可没

　　在9月的第三周，距离地球最远的中部“存储环”开始消失。最后，来自太阳的一场强烈的行星际冲击波彻底歼灭了“存储环”以及外侧带的其他部分。科学家指出外侧的范艾伦辐射带极为不稳定，不时会出现带电粒子膨胀，导致它们逃逸，具体程度取决于空间天气。在此之前，科学家从未观测到这个三带结构，甚至没有在理论上提出存在这种结构。

　　在“存储环”和外侧辐射带消失后几个月，范艾伦辐射区变形为原来的两带结构。贝克教授表示：“我们对这种现象的出现频率一无所知。这种现象可能非常频繁，但我们没有相应的仪器进行观测。利用高解析度观测仪器观测到外侧带的时空和能量活动还是第一次。此前对外侧辐射带进行的观测所呈现的景象比较模糊。在发射后第二天打开REPT时，一场强烈的电子加速活动已在进行当中，我们清晰地看到新辐射带以及这个辐射带与外带之间新形成的缝隙。”

　　两个范艾伦探测器一模一样，负责对辐射带进行观测，对种类繁多的能量和粒子进行编目，追踪穿过辐射区的磁波。这两个探测器沿着椭圆形轨道环绕地球运行，能够在穿过辐射区时从两个辐射带的心脏地带向地球传送观测数据。范艾伦探测器搭载了5台仪器，允许科学家获取辐射带的数据，细节达到空前程度。

　　两个探测器传回的数据有助于科学家进一步了解空间天气如何影响近地现象。加深对辐射带形成和数量的认知同样有助于科学家了解太阳风暴如何以及何时对地球带来危害。斯宾塞表示：“我们观测到的现象非常引人注目，允许我们在一定程度上改进辐射带动力学理论并加以验证，进而提高我们预测它们行为的能力。这对于了解空间天气非常重要，能够提高在危险太空区域活动的宇航员和航天器的安全性。”在2月28日《科学》杂志刊登的一篇论文中，科学家详述了他们的研究发现。(孝文)

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