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范艾伦辐射带本文重定向自 范艾倫輻射帶

范艾伦辐射带

范艾伦辐射带是在地球附近的近层宇宙空间中包围着地球的大量带电粒子聚集而成的轮胎状辐射层,由美国物理学家詹姆斯·范·艾伦发现并以他的名字命名。范艾伦带粒子的主要来源是被地球磁场俘获的太阳风粒子,这些带电粒子在范艾伦带两转折点间来回运动。当太阳发生磁暴时,地球磁层受扰动变形,而局限在范艾伦带的高能带电粒子大量泄出,并随磁力线于地球的极区进入大气层,激发空气分子产生美丽的极光。范艾伦辐射带一般情况下分为内外两层,海拔高度处在约500至58000千米之间,内外层之间存在范艾伦带缝,缝中辐射很少,偶尔会因为太阳风暴等突发情况临时被破坏分离导致多层产生。

学术研究历史及未来研究方向

Kristian Birkeland,Carl Størmer和Nicholas Christofilos曾在太空时代之前研究过被捕获带电粒子的可能性。

1958年1月31日,美国第一颗人造卫星探险者一号升空,当升至800千米高空时,卫星上所载盖革计数器读数突然下降至0。到1958年3月26日探险者三号升空时,又发生了同样的情况。范艾伦认为,这是因为存在极大量的辐射导致计数器达到饱和而失灵造成的。因此,同年7月26日发射探险者四号时,他在计数器前端加入一小片薄铅以阻挡部分辐射。果然,新的卫星证实了他的猜测。

目前范艾伦辐射带仅专指围绕地球的辐射层,同时根据目前的观测结果,在其他行星周围也存在有类似结构。太阳无长期维持的辐射带,因其缺乏稳定的整体偶极子场。

成因及影响

20世纪初,挪威数学天文物理学家斯托默就从理论上证明,地球周围存在一个带电粒子捕获区。它是由地球磁场俘获太阳风中的带电粒子所形成的。一般来说,内辐射带里高能质子多,外辐射带里高能电子多。辐射带对保护地球起着很好的作用,它能俘获从太阳和其他天体向地球射来的高能粒子,使它们不能到达地面,从而避免了高能粒子对人类和其他生物的致命威胁。另一方面,由于辐射带里的高能粒子会对人类身体造成巨大伤害。因此,它又是人类进行星际转移的巨大障碍。

辐射带对人造卫星影响较大,因此在人造卫星设计过程中需要对其敏感元件进行保护性设计,特别是运行轨道需穿越相关高度的观测类卫星。

2012年8月,NASA发射了一对范艾伦探测器,同时从不同位置和角度对辐射带进行观测。观测结果认为范艾伦辐射带负责加速粒子,而不是收集来自其他地方的高能粒子。

内圈

范艾伦辐射带内圈通常分布于0.2~2倍地球半径高度(即海平面上约2000~5000千米高度),在某些特定情况下,如太阳活动强烈或南大西洋异常区内,其高度边界可能会被压缩至海平面上方200千米。

外圈

范艾伦辐射带外圈主要由地球磁层捕获的高能(0.1-10MeV)电子组成。它比内带更易变,因为更容易受太阳活动的影响。形状几乎是环形的,起始于三个高度,并延伸到地球表面以上60000~100000千米

其他影响

影响哈勃望远镜的观测,因为哈勃处在相对高的轨道,离地559千米来运行。因此,当哈勃通过南大西洋上空时必须暂时关闭观测。因为范艾伦辐射带刚好在这里碰触到地球的上层大气,如果开启观测的话,可能会损坏哈勃的观测元件。


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参考文献


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