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地球辐射带

发布时间:2019-07-04 11:14 来源:未知 编辑:admin

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  地球辐射带指地球周围空间大量高能带电粒子的聚集区,又称为Van Allen辐射带,它分为内外两个带,它们在向阳面和背阳面各有一个区,内辐射带是离地面较近,而外辐射带离地面较远。它是由于地磁场约束高能粒子(以MeV记)形成的特定区域。

  地球辐射带分为内外两个带,它们在向阳面和背阳面各有一个区,内辐射带是离地面较近,而外辐射带离地面较远。

  内辐射带的中心位置到地心的距离约1.5个地球半径,外辐射带的中心离开地心距约在3-4个地球半径。向阳面和背阳面的内外辐射带的粒子环境在空间上并不是完全对称的。

  内辐射带简称内带,内带中含有大量的高能质子电子,在无太阳质子事件并且地磁扰动不大的情况下,内辐射带中高能质子和电子的空间分布和强度相当稳定,称之为稳定的内辐射带。

  它并不是永远不变的,还受地磁场长期变化的影响,而使辐射带的空间分布和强度的发生变化,空间分布的长期变化与南大西洋负磁异常区的变化趋势基本一致,强度的变化则要进行大量的探测。

  内带中对卫星和宇航员的威胁主要来自高能的质子。外辐射带对卫星宇航员的威胁主要来自高能的电子。

  对称于地球赤道排列,且只存在于低磁纬地区上空。内辐射带的中心约在1.5个地球半径,范围限于磁纬±40°之间,东西半球不对称,西半球起始高度低于东半球,带内含有能量为50兆电子伏的质子和能量大于30兆电子伏的电子。外辐射带位于地面上空约2~3个地球半径处,厚约6000公里,范围可延伸到磁纬50°~60°处,其中的带电粒子能量比内带小。一般说来,在内辐射带里容易测得高能质子,在外辐射带里容易测得高能电子。

  地球辐射带是空间探测时代的第一项重大天文发现。1992年2月初,美国和俄罗斯空间科学家宣布,他们发现了地球的第三条辐射带。新辐射带位于内外范艾伦带当中的位置,是由所谓的反常宇宙线——大部分是丢失一个电子的氧离子构成的。

  辐射带分为:①内辐射带:高度在1~2个地球半径之间,范围限于磁纬度±40°之间,东西半球不对称。西半球起始高度比东半球低,最高处可在9,000公里处开始。两半球都向赤道方面凸出。带内含有能量为50兆电子伏的质子和能量大于30兆电子伏的电子。②外辐射带:高度在3~4个地球半径之间,起始高度为13,000~19,000公里,厚约6,000公里,范围可延伸到磁纬度50°~60°。外带比较稀薄。外带内的带电粒子的能量比内带小,但远远超过外大气层中粒子的热运动能。

  被俘获的带电粒子实际上分布于整个地磁场,所以辐射带的界限并不分明,只是带内带电粒子的密度比其他区域大。辐射带中,内带的带电粒子数是相对稳定的,外带则变化较大,差别可达到100倍。一般来讲,在内带里容易测到高能质子,在外带里容易测到高能电子。

  辐射带的范围和形状受地磁场的制约,也和太阳活动有关,在朝太阳的方向被太阳风所压缩。辐射带中的带电粒子数也同地磁场和太阳活动的变化有关。

  早在20世纪初,就有人提出太阳在不停地发出带电粒子,这些粒子被地球磁场俘获,束缚在离地表一定距离的高空形成一条带电粒子带。50年代末60年代初,美国科学家范艾伦根据“探险者”1号、3号、4号的观测资料证实了这条辐射带的存在,确定了它的结构和范围,并发现其外面还有另一条带电粒子带,于是离地面较近的辐射带称为内辐射带,离地面较远的称为外辐射带,因是范艾伦最先发现的,故又称为内范艾伦带和外范艾伦带。

  影响地球辐射带空间分布和强度的主要因素有:太阳活动的水平、地磁长期变化、地磁短期变化(磁暴)、太阳宇宙线事件。

  地磁场俘获的带电粒子带。辐射带内的带电粒子是太阳风宇宙线与地球高层大气相互作用而产生的高能粒子。它们在地磁场的作用下,沿磁力线作螺旋运动并不断辐射出电磁波。1905年,斯托米根据极光观测曾经预言过它的存在。1958年,范爱伦分析人造地球卫星探测器的资料,于1959年证实它的存在,因此也称作范爱伦带。地球辐射带在地球磁层内,但只存在于一定磁纬地区的上空,而不存在于南北磁极和高磁纬地区的上空。

  20世纪初有人提出太阳在不停地发出带电粒子,这些粒子被地球磁场俘获,在地球上空形成一个带电粒子带。50年代末60年代初,美国科学家范·艾伦(James Alfred Van Allen)根据宇宙探测器探险者1号、3号和4号的观测,证明了带电粒子带的存在。地球辐射带分为两层,形状有点像是砸开成两半的核桃壳。离地球较近的辐射带称为内辐射带,较远的称为外辐射带,也分别称为内、外范·艾伦带。辐射带从四面把地球包围了起来,而在两极处留下了空隙,也就是说,地球的南极和北极上空不存在辐射带。最近两年有消息说,美国和俄罗斯的天文学家在内外辐射带之间又发现了第三条辐射带。

  过去人们一直认为地球磁场和一根大磁棒的磁场一样,磁力线对称分布,逐渐消失在星际空间。人造卫星的探测结果纠正了人们的错误认识,绘出了全新的地球磁场图象:当太阳风到达地球附近空间时,太阳风与地球的偶极磁场发生作用,把地球磁场压缩在一个固定的区域里,这个区域就叫磁层。磁层像一个头朝太阳的蛋形物,它的外壳叫做磁层顶。地球的磁力线被压在壳内。在背着太阳的一面,壳拉长,尾端呈开放状,磁力线像小姑娘的长发,飘散到二百万千米以外。磁层好像一道防护林,保护着地球上的生物免受太阳风的袭击。地球的磁层是个非常复杂的问题,其中许多物理机制需要进一步的研究和探讨。最近十年,科学家已经把磁层的概念扩展到其它的一些行星,甚至发现宇宙中的中子星、活动星系核电具有磁层结构的特征。

  据国外媒体报道袁美国宇航局的科学家在地球周围发现一个神秘结构,好似一个巨型斑马纹夹克。在此之前,科学家从未发现这个奇异结构。它的发现让科学家陷入迷惑之中。据悉,这件“巨型夹克”是宇航局的范-艾伦双子探测器在地球周围的其中一个辐射带内发现的。地球周围有两个辐射带袁内侧辐射带充斥着电子,外侧辐射带充斥着质子。

  这件“巨型夹克”由地球的缓慢旋转产生。科学家认为这个巨型结构不会影响辐射带粒子的运动。辐射带内的粒子速度接近光速,科学家此前认为增强的太阳风活动是地球辐射带内任何结构形成的主要因素。令科学家感到吃惊的是,这些斑纹即便在低太阳风活动时也能观测到,促使他们进行一项新研究,研究它们如何产生。

  研究论文主执笔人约翰斯-霍普金斯大学应用物理实验室的亚历山大-乌克霍尔斯基表示:”借助于分辨率空前的高能粒子实验装置RBSPICE,我们能够深入了解内侧辐射带的电子,这个辐射带的电子通常呈现出斑纹图案。”

  由于地球磁场轴的倾斜,地球的旋转产生一个振荡的弱电场,刺透整个内侧辐射带。这个伸展和折叠过程导致整个内侧辐射带出现斑纹图案。在地球大气层——距地面大约 500 英里(约合 804 公里)——上方延伸,连绵大约 8000 英里(约合 1.3 万公里)。范-艾伦双子探测器项目科学家,宇航局戈达德太空飞行中心的大卫-希伯格表示:“RBSPICE装置拥有令人吃惊的分辨率,允许我们观测到此前未知的现象,更重要的是,我们拥有一批出色的科学家,利用空前的观测数据进行研究。如果没有理论家的分析袁我们无法解释这些数据。”

  北斗卫星轨道穿越地球外辐射带 , 安装在北斗卫星上的高能电子探测器、 辐射剂量仪及表面电位探测仪对外辐射带的高能电子环境、辐射剂量效应和表面充电效应进行了探测,获得了空间环境宁静期和小地磁暴事件后 的外辐射带高能电子分布和结构、卫星所受辐射剂量变化情况和卫星表面充电情况。这是我国首次获得该卫星轨道的高能电子分布、辐射剂量的变化趋势和表面充电开展空间环境探测

  利用北斗卫星高能电子探测器、 辐射剂量仪和表面电位探测仪的探测结果对高能电子、辐射剂量水平和表面充电情况进行了分析和讨论,结果表明:在北斗卫星轨道空间,即便是在太阳活动的谷年,空间环境宁静期的高能电子通量均维持在较高的水平上;而且高能电子环境对地磁扰动等空间环境背景的扰动十分敏感 , 中小量级的地磁扰动就可导致轨道空间高能电子通量水平发生数量级的增长,且高能电子通量能在增长后的水平上维持较长 的时间;卫星轨道空间的表面充电效应对地磁场背景的扰动非常敏感 , 发生地磁场扰动 时 , 卫星表面电位可在数分钟内由-50伏迅速充电到- 6000伏左右;并且在地磁暴事件后,在十几天内,当卫星穿行于辐射带中时,卫星表面电位均维持在负几百伏的水平上;北斗卫星轨道粒子辐射很强,因此辐射剂量增长较快,该轨道辐射剂量增长较之低地球轨道(地球内辐射带) 高出约1个数量级。

  江山. 美发射一对探测器探测地球辐射带[J]. 太空探索, 2012(10):10-10.

  高新亮. 太阳风加热和地球辐射带演化中的波粒相互作用[D]. 中国科学技术大学, 2015.

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