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60年謎團終於揭開 美國科學家解開地球范艾倫輻射帶的秘密

7月
02
2018

2018年7月02日01時 今日科學 技術力量

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美國科羅拉多州大學研究人員終於揭開地球層宇宙高能粒子區域空間的神秘面紗

在一顆小型軌道衛星的幫助下,美國科羅拉多大學博爾德分校的研究人員揭示出了籠罩在地球范艾倫帶的神秘面紗。最新一期的《 自然 》雜誌發表的這項研究。

「范艾倫帶」是圍繞在地球周圍的兩大輻射帶,也就是所謂的高能粒子區域。這些大量帶電粒子聚集而成的輪胎狀輻射層由美國物理學家詹姆斯·范·艾倫發現,並以他的名字命名。范艾倫帶粒子的主要來源是被地球磁場俘獲的太陽風粒子,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,而被局限在范艾倫帶的高能帶電粒子會大量泄出,並隨磁力線於地球的極區進入大氣層,從而激發空氣分子產生美麗的極光。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。,據說它們被我們地球的磁場固定就位。顯然,這些帶通過捕獲其區域內的帶電粒子來保護我們免受某些空間最危險的輻射。

1958年1月31日,美國第一顆人造衛星探險者一號升空,當升至800千米高空時,衛星上所載蓋革計數器讀數突然下降至0。到1958年3月26日探險者三號升空時,又發生了同樣的情況。范艾倫認為,這是因為存在極大量的輻射導致計數器達到飽和而失靈造成的。因此,同年7月26日發射探險者四號時,他在計數器前端加入一小片薄鉛以阻擋部分輻射。果然,新的衛星證實了他的猜測。

早在20世紀初,挪威數學及天文物理學家斯托默就從理論上證明,地球周圍存在一個帶電粒子捕獲區。它是由地球磁場俘獲太陽風中的帶電粒子所形成的。一般來說,內輻射帶里高能質子多,外輻射帶里高能電子多。輻射帶對保護地球起著很好的作用,它能俘獲從太陽和其他天體向地球射來的高能粒子,使它們不能到達地面,從而避免了高能粒子對人類和其他生物的致命威脅。另一方面,由於輻射帶里的高能粒子會對人類身體造成巨大傷害,因此,它又是人類進行星際轉移的巨大障礙。

博爾德大氣與空間物理實驗室李辛林教授

博爾德大氣與空間物理實驗室(LASP)的李辛林教授(Xinlin Li)領導了這項研究,解決了范艾倫帶的許多奧秘,比如它的形成能源和潛在有害顆粒的來源。

這項研究表明,在我們星球的這種輻射帶,特別是內邊緣附近發現的高能電子 ,起源於超新星 。在一個被稱為「 宇宙射線反照率中子衰變 」(CRAND)的過程中,來自爆炸後的恆星,進入地球大氣的宇宙射線與中性原子碰撞。這些碰撞形成所謂的飛濺,從而產生包括電子的帶電粒子,這些粒子被地球磁場保持鎖定在適當的位置。

在1950年代後期發現范艾倫帶後不久,俄羅斯和美國的科學家都認為,「 宇宙射線反照率中子衰變 」有可能是將地球磁場中的高能質子鎖住的原因。然而,沒有人能夠成功地檢測出在中子衰變過程中應該產生的電子對應物。

藉助「科羅拉多州學生空間天氣實驗衛星」(CubeSat),李博士的團隊終於發現了高能電子的來源。

科羅拉多州學生空間天氣實驗衛星

這種衛星上特別安裝了一個小型高能粒子望遠鏡,即相對論電子和質子望遠鏡 ,用於測量太陽能質子和地球輻射帶電子的通量。它於2012年用阿特拉斯V型火箭發射升空 。


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