天文学家揭示地球外辐射带高能电子消失之谜

离地球表面一定距离的高空有一条辐射带。美国天文学家近日揭示地球外辐射带高能电子突然消失的谜题

    据国外媒体报道，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员近日利用轨道航天器收集的数据，解释了地球外辐射带的高能电子的令人费解的突然消失行为。研究报告发表在最新一期的《自然物理学》杂志上。

　　该研究团队表示，在太阳活跃期间，一股太阳风粒子将地球外辐射带的高能电子从地球上一扫而空。该研究报告的首席作者、加州大学洛杉矶分校的地球与空间科学学院的助理研究员、该校地球物理和行星物理（IGPP）研究所的成员德鲁•特纳（Drew Turner）说：“这是认识地球空间环境的一个重要的里程碑，我们向了解和预测空间天气现象又迈进了一步。”

　　在强大的太阳活动期间，如日冕物质抛射，太阳大气的磁化外层部分坠落到地球的磁场，就会引发地磁暴，对轨道航天器的电子设备具有破坏力。这些宇宙狂风对地球外辐射带有一种奇特的影响。加州大学洛杉矶分校的地球与空间科学教授、IGPP研究员瓦西利斯•安哲罗普洛斯(Vassilis Angelopoulos)说：“地磁暴发生期间，几乎所有被困在辐射带内的电子都会突然消失，仅几个小时后又会回来。”该研究报告的共同作者、UCLA地球与空间科学部门、大气和海洋科学部门的地球物理学家尤里•斯普瑞茨（Yuri Shprits）表示，科学家在20世纪60年代利用送入轨道的最早的飞船上的仪器首次测量到失踪的电子，感觉非常吃惊。他说：‘这是一个令人费解的现象，地球上的海洋不会突然失去大部分水，但填充电子的辐射带却可以迅速成为“无人区”。’更奇怪的是，电子在地磁暴高峰期期间失踪，人们原来认为这个时候辐射带应该充满高能粒子，因为太阳风极其剧烈地轰击。

　　电子哪里去了？ 20世纪60年代初以来，这个问题成为悬而未决的谜题。有些人认为电子去了地球的大气层，而另一些人猜测电子不是永久消失，而只是暂时的能源耗尽，使它们看起来消失了。斯普瑞茨说：“我们在2006年的一项研究表明，电子可能去了星际介质中，并且向外减速移动。然而，直到最近，仍然没有确切的证据证明这一理论。”

　　为了揭开电子突然消失的神秘面纱，特纳和他的团队利用放置在距离地球不同远处的三个轨道航天器网络的数据，捕捉逃逸出的电子。数据显示，太阳活动高峰期产生磁暴期间，只有少量的失踪高能电子到了地球大气层，绝大多数电子在太阳风粒子的冲击下推离辐射带。

　　特纳说，更好地了解地球的辐射带对于保护我们的全球定位、通信和气象监测卫星至关重要。地球外辐射带对于航天器和宇航员是一个恶劣的辐射环境，高能量电子可以穿透航天器的屏蔽，并造成其精致的电子设备受到破坏。当横冲直撞的颗粒猛撞在地球磁层时就会引发地磁暴，可导致部分或全部的航天器发生故障。特纳说：“虽然大多数卫星都设计成防辐射的，但飞船工程师必须依靠近似值和统计学，因为他们缺乏模型和预测外辐射带高能电子的行为所需的数据。” 此项研究报告的合著者安哲罗普洛斯（Angelopoulos）说：在2003年发生的“万圣节磁暴（Halloween Storm）”期间，超过30颗卫星发生故障，其中一个完全失灵。随着太阳活动11年周期的来临，2013年将达到高峰期，地磁暴可能会频繁出现，每月出现几次。特纳说：“高能量电子会导致航天器的寿命显著减少，卫星在活跃的辐射带内的时间延长意味着它可能会提前几年停止运作。虽然一架机械化飞船可能包括多个备用电路，以减少在太阳活动期完全失灵的风险，但在轨道上的人类探险就没有这么幸运了，高能量电子可以穿透宇航员的太空服，并造成严重的健康风险。目前我们已经变得令人难以置信地依赖空间技术的，了解这种高能电子的数量和它们的极端变化情况将有助于创建更准确的模型，以预测地磁暴对辐射带的影响。”

　　在这项研究中使用的主要观测数据由美国宇航局的“亚暴之大规模互动及时间历史性事件（Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms，THEMIS）”航天器网络收集；安哲罗普洛斯是THEMIS任务的首席研究员。更多信息由极地运行环境卫星（Polar Operational Environmental Satellite，POES）和同步运行环境卫星（Geostationary Operational Environmental Satellite，GOES）获得。

　　加州大学洛杉矶分校和俄罗斯的莫斯科国立大学的一项新的合作，承诺以更清晰的画面描绘这些消失的电子。该项目的主要研究者斯普瑞茨说，“罗蒙诺索夫（Lomonosov）”号飞船将在2012年春天发射，将在低地球轨道飞行，以前所未有的精确度测量高能粒子，该任务的几个关键仪器正在加州大学洛杉矶分校开发和组装。

　　据悉，地球外辐射带是指离地表一定距离的高空形成的一条带电粒子带，这个空间环形区域充满了电子，它们是如此活跃，以接近光速的速度移动。地球辐射带发现于1958年，由美国首颗飞往太空的卫星“探险家一号（Explorer I）”发现。斯普瑞茨说：“我们正在研究的是太空时代的首个发现。人们意识到，航天器的发射不仅仅是获得太空消息，它们也可以获得完全出乎意料的科学发现。”