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范艾伦辐射带

范艾伦辐射带（英语：Van Allen radiation belt）是一个高能带电粒子的区域，其中大部分粒子来自太阳风，被行星的磁层捕获并环绕在该行星周围。地球有两层这样的环带，并且有时可以临时创建其它的。这些环带是以詹姆斯·范·艾伦的名字命名，因为他被认为是它们的发现者[1]。地球的两条主要带从高于表面大约海拔640至58,000 km（400至36,040 mi）[2]，在该区域中辐射水准变化。大多数形成辐射带的粒子被认为是来自太阳风和其它宇宙射线的粒子[3]。通过捕获太阳风的带电粒子，磁场使这些高能粒子偏转，并保护大气层免受破坏。

This CGI展示了范艾伦带横截面形状和强度的变化。
范艾伦辐射带的横截面

这些辐射带位于地球磁场的内部区域。辐射带捕获的多半是高能电子和质子，其他核，如α粒子，则不那么普遍。这些辐射带危及卫星，如果它们在该区域附近花费大量时间，则必须对其敏感部件进行足够的遮罩保护。2013年，范艾伦探测器探测到第三个瞬态辐射带，但该辐射带持续了四星期[4]。通过范艾伦带的阿波罗太空人只受到了非常低且无害的辐射剂量[5][6]。

发现

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克里斯蒂安·伯克兰、卡尔·斯特默、尼古拉斯·克里斯托菲洛斯（英语：Nicholas Christofilos）和恩里科·梅迪（Enrico Medi）在太空时代之前就已经研究了捕获带电粒子的可能性[7]。1958年初，探险家1号和探险家3号（英语：Explorer 3）在爱荷华大学的詹姆斯·范·艾伦领导下证实了辐射带的存在[1]。后续由探险家4号（英语：Explorer 4）、先锋3号和月球1号绘制出被捕获的辐射带。

“范艾伦辐射带”一词专门指地球周围的辐射带；但是，在其他行星周围也发现了类似的辐射带。太阳因为缺乏稳定的全球偶极场，因此它不能长期的支持辐射带。地球的大气层将这些带的粒子限制在200–1000公里（124–620英里）以上的区域[8]，而辐射带不会延伸超过8地球半径 RE[8]。辐射带被限制延伸在天球赤道两侧约65°的体积内[8]。

研究

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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。

 
木星辐射带的变化。

美国国家航空暨太空总署范艾伦探测器任务旨在了解（到可预测的程度）太空中相对论电子束（英语：Relativistic electron beam）和离子的数量是如何形成或变化的，以响应太阳活动和太阳风的变化。

美国国家航空暨太空总署高级概念研究所（英语：NASA Institute for Advanced Concepts）资助的研究提出了用磁勺收集地球范艾伦带中自然存在的反物质，尽管据估计整个辐射带中只存在约10微克的反质子[9]。

范艾伦探测器任务于2012年8月30日成功发射。主要任务计画持续两年，消耗品预计持续四年。这些探测器在2019年燃料耗尽后停用，预计将在2030年代脱轨[10]。NASA的戈达德太空飞行中心管理著与恒星共存计画，范艾伦探测器是该计画的一个项目，还有太阳动力学天文台（SDO）。应用物理实验室负责范艾伦探测器的实施和仪器管理[11]。

太阳系中其它行星和卫星周围存在辐射带，因为它们有磁场足以维持这些辐射带。到目前为止，对这些辐射带中的大多数绘制仍很贫乏。航海家计画（即航海家2号）只是名义上证实了天王星和海王星周围存在类似的辐射带。

磁暴可以导致电子密度相对较快地增加或减少（即大约一天或更短时间）。较长的时间尺度过程决定了辐射带的整体配置。在电子注入增加电子密度之后，经常观察到电子密度呈指数衰减。这些衰变时间常数被称为“寿命”。范艾伦探测器B的磁性电子离子光谱仪（MagEIS）的量测结果显示，内辐射带中的电子寿命很长（即超过100天）；在辐射带之间的“缝隙”中观察到大约一到两天的短电子寿命；并且在外辐射带中发现电子依据能量约5到20天的寿命[12]。

内辐射带

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地球周围两个辐射带的剖面图：内辐射带（红色）由质子主导，外辐射带（蓝色）由电子主导。 图片来源：NASA

内范艾伦辐射带通常在地球上空从0.2到2个地球半径的高度延伸（L-值（英语：L-shell）从1.2 to 3）或1,000 km（620 mi）至12,000 km（7,500 mi）[3][13]。在某些情况下，当太阳活动较强或在南大西洋异常区等地理区域时，内辐射带的边界可能会下降到地球上空大约200公里[14]。内辐射带包含数百keV范围内的高浓度电子和能量超过100MeV的高能质子，这些质子被该区域中相对较强的磁场（与外带相比）捕获[15]。

据信，在内辐射带的较低高度中，能量超过50MeV的质子是宇宙射线与高层大气核碰撞产生中子β衰变的结果。由于磁暴期间磁场的变化，低能量质子的来源被认为是质子扩散[16]。

由于这些带与地球几何中心的轻微偏移，内范艾伦带在南大西洋异常区处最接近地表[17][18]。

2014年3月，范艾伦探测器上的辐射带风暴探测器离子成分实验（RBSPICE）在辐射带中观察到类似“斑马条纹”的图案。2014年提出的最初理论是，由于地球磁场轴的倾斜，行星的旋转产生了一个振荡的弱电场，渗透到整个内辐射带[19]。2016年的一项研究得出结论，斑马条纹是电离层发电机区（英语：Ionospheric dynamo region）的电离层风在辐射带上的印记[20]。

外辐射带

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范艾伦带对太阳风影响的实验室类比；这些类似极光的白克兰电流是由科学家克里斯蒂安·伯克兰在他的地球仪中创造的，这是一个在真空室中的磁化阳极地球仪。

外辐射带主要由地球磁层捕获的高能（0.1–10MeV）电子组成。因为它更容易受到太阳活动的影响，因此比内辐射带更容易变化。它的形状几乎是环面，从3个地球半径的高度开始，一直延伸到地球表面以上的10个地球半径（RE）-13,000至60,000千米（8,100至37,300英里）[来源请求]。它的最大强度通常在4到5RE左右。外辐射带的电子辐射主要由向内的径向扩散产生[21][22]和局部加速度产生[23]。由于能量从哨声模式的电浆波（英语：Waves in plasmas）转移到辐射带电子。辐射带电子也通过与地球大气层的碰撞而不断被移除[23]，损失及向外的径向扩散至磁层顶。高能质子的回旋半径将足够大，使它们与地球大气层接触。在这个带内，电子具有很高的通量，在外边缘（靠近磁层顶），地磁场线通向地磁尾，高能电子的通量可以下降到大约100 km（62 mi）内的低行星际水准：减少1,000倍。

2014年，人们发现外辐射带的内缘具有非常尖锐的跃迁特征，在跃迁之下，低于高度相对论性的电子（>5MeV）无法穿透[24]。这种类似盾牌行为的原因尚不清楚。

外辐射带捕获的粒子数是多变的，包含电子和各种离子。大多数离子以高能质子的形式存在，但一定比例是α粒子和O+氧离子：类似于电离层中的氧离子，但能量更高。这种离子混合物表明环流粒子可能来自多个来源。

外辐射带比内辐射带大，其粒子数波动也较大。高能（辐射）粒子通量可以因应磁暴而急剧增加和减少，而磁暴本身是由太阳产生的磁场和电浆扰动触发的。这些增加是由于与风暴有关的注入和来自磁层尾部的粒子加速。外辐射带粒子群变异性的另一个原因是双流不稳定性#波粒相互作用（英语：Two-stream instability）与在宽频率范围内的各种电浆波（英语：Waves in plasmas）[25]。

在2013年2月28日，据报导，发现了第三条辐射带：由高能超相对论极限（英语：Ultrarelativistic limit）带电粒子组成。在美国国家航空暨太空总署范艾伦探测器团队的新闻发布会上，有人说这第三条带是太阳日冕巨量喷发的产物。它被表现为一个单独的创造物，它在外辐射带的外侧，像从外辐射带分裂出的刀一样，作为粒子的储存容器单独存在一个月的时间，然后再次与外辐射带合并[26]。

第三个瞬态带的异常稳定性被解释为由于超相对论粒子从第二个传统外辐射带溢出时被地球磁场“捕获”。虽然在一天内形成和消失的外部区域由于与大气的相互作用而变化很大，但第三辐射带的超相对论性粒子，因为它们的能量太大，无法与低纬度的大气波相互作用，因此被认为不会散射到大气中[27]。 这种散射和陷阱的缺失使它们能够持续很长时间，最终只被不寻常的事件破坏，例如来自太阳的冲击波。

通量值

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在辐射带中，在给定的点，给定能量的粒子通量随能量急剧下降。

在磁赤道处，能量超过5,000Kev（或5MeV）的电子，其全向通量范围从每秒每平方厘米1.2×106（resp. 3.7×104）到9.4×109（resp. 2×107）颗粒。

质子带包含的质子的动能范围从约100keV，可以穿透0.6μm的铅，到超过400Mev，可以穿透143mm的铅[28]。

大多数公布的内辐射带和外辐射带通量值可能未显示辐射带中可能的最大可能通量密度。这种差异是有原因的：通量密度和峰值通量的位置是可变的，主要取决于太阳活动，并且带有仪器即时观测带的太空探测器数量有限。地球没有再经历过卡林顿事件的强度和持续时间，而装有适当仪器的太空探测器已经可用于观察此类事件。

如果长时间暴露在辐射带内，带中的辐射水准将对人类造成危险。除了阿波罗14号任务的太空船穿过辐射带的中心，阿波罗任务通过高速发送太空船穿过上述辐射带的较薄区域，完全绕过内辐射带，最大限度地减少了对太空人的危险[17][29][5][30]。

  • 通量值，正常太阳条件
  •  
    AP8 MIN omnidirectional proton flux ≥ 100 keV
  •  
    AP8 MIN omnidirectional proton flux ≥ 1 MeV
  •  
    AP8 MIN omnidirectional proton flux ≥ 400 MeV

吸持反物质

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2011年，一项研究证实了早先的猜测，即范艾伦带可以吸持反粒子。反物质探索和光核天体物理学的有效载荷（PAMELA）实验检测到的反质子水准比通过南大西洋异常区时正常粒子衰变的预期水准高出几个数量级。这表明范艾伦带约束（限制）了地球高层大气与宇宙射线相互作用产生的大量反质子通量[31]。测量得到的反质子能量在60至750 MeV的范围内。

由美国国家航空暨太空总署高级概念研究所（英语：NASA Institute for Advanced Concepts）资助的研究得出结论，利用这些反质子进行航太器推进是可行的。研究人员认为，这种方法比欧洲核子研究中心的反质子生成具有优势，因为就地收集颗粒消除了运输损失和成本。木星和土星也是可能的来源，但地球的辐射带是生产力最高的。木星的生产力低于预期，因为其大部分大气层的宇宙射线受到磁遮罩。在2019年，CMS（Compact Muon Solenoid）宣布已经开始建造能够收集这些粒子的设备[可疑]。NASA将使用该设备收集这些粒子，并将它们运送到世界各地的研究所进行进一步检查。这些所谓的“反物质容器”将来也可以用于工业目的[32]。

对太空旅行的影响

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GPS、GLONASS、Galileo、BeiDou-2和依卫星星座（英语：Iridium satellite constellation）、国际太空站、哈伯太空望远镜和地球静止轨道（及其死亡轨道）的轨道大小比较，按比例计算范艾伦辐射带和地球[a]
月球的轨道大约是地球静止轨道的9倍大[b]。 (In the SVG file, hover over an orbit or its label to highlight it; click to load its article.)

在近地轨道以外飞行的太空船会进入范艾伦辐射带的辐射区。除此之外，它们还面临著来自宇宙射线和太阳质子事件的额外危险。在范艾伦带内部和外部之间的空隙区域位于2至4个地球半径处，有时被称为“安全区”[33][34]。

太阳能电池、集成电路和感测器可能会因辐射而损坏。磁暴偶尔也会损坏太空船上的电子设备。电子设备和逻辑电路的小型化和数位化使卫星更容易受到辐射损坏，因为现在这些电路中的总电荷足够小，可以与入射离子的电荷相媲美。卫星上的电子设备必须对辐射进行辐射硬化（英语：Radiation hardening）才能可靠运行。哈伯太空望远镜和其它卫星一样，在穿过强辐射区域时，其感测器经常必须关闭[35]。一颗在椭圆轨道上被3毫米铝遮罩的卫星（200乘20,000英里（320乘32,190千米））通过辐射带，每年将接收约2500仑目（25西弗；相比之下，全身剂量为5 S西弗是致命的。）。几乎所有的辐射都是在通过内辐射带时被接收[36]。

阿波罗任务标志著人类首次穿越范艾伦带，这是任务规划者已知的几种辐射危害之一[37]。由于在范艾伦带上飞行的时间很短，太空人在这些辐射带上的暴露量很低[5][6]。

太空人的整体暴露实际上主要是来自地球磁场之外的太阳粒子。太空人接收的总辐射因任务而异，但测量值在0.16至1.14拉德（英语：Rad (unit)）（1.6至11.4毫戈雷）之间，远低于由美国原子能委员会为从事放射性工作的人员设定的每年5仑目的标准（50毫西弗）[c][37]。

成因

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人们普遍认为，范艾伦辐射带的内辐射带和外辐射带是由不同的过程产生的。内辐射带主要由所谓的反照率中子（英语：Cosmic ray albedo neutron decay process）衰变产生的高能质子组成，这些质子本身就是高层大气中宇宙线碰撞的结果。外范艾伦带主要由电子组成。它们在磁暴之后从地磁尾注入，随后通过波粒相互作用（英语：Two-stream instability）获得能量。

在内辐射带中，来自太阳的粒子被困在地球磁场中。粒子沿著磁通量线螺旋，因为它们沿著这些线的“纬度”移动。当粒子向两极移动时，磁力线密度增加，它们的“纬向”速度减慢并可以逆转，使粒子偏转回赤道区域，导致它们在地球两极之间来回反弹[38]。除了沿著通量线螺旋转和移动之外，电子向东缓慢漂移，而质子向西漂移。

内辐射带和外辐射带之间的间隙有时被称为“安全区”或“安全槽”，是中地球轨道的位置。这个间隙是由VLF无线电波引起的，它以粒子运动俯仰角（英语：Pitch angle (particle motion)）散射粒子，从而向大气中添加新的离子。太阳爆发也会将粒子倾倒到缝隙中，但这些粒子会在几天内排出。VLF无线电波以前被认为是由辐射带中的湍流产生的，但戈达德太空飞行中心的詹姆斯·L·格林（英语：James L. Green）最近的工作[来源请求]将Microlab 1太空船收集的闪电活动地图与图像 (太空船)（英语：IMAGE (spacecraft)）太空船辐射带间隙中的无线电波数据进行比较；研究结果表明，这些无线电波实际上是由地球大气层内的闪电产生的。产生的无线电波以正确的角度撞击电离层，使其只能在高纬度地区通过，因为高纬度地区的间隙下端接近高层大气。这些结果仍在科学界争论不休。

其他影响

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影响哈伯望远镜的观测，因为哈伯处在相对高的轨道，离地559公里来运行。因此，当哈伯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，可能会损坏哈伯的观测元件。

移除建议

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从范艾伦带中排出带电粒子将为卫星开辟新的轨道，并使太空人的旅行更加安全[39]。

高压轨道长拴绳（HiVOLT，High Voltage Orbiting Long Tether）是由俄罗斯物理学家瓦伦丁·丹尼洛夫（英语：Valentin Danilov）提出的一个概念，并由罗伯特·P·霍伊特（英语：Robert P.Hoyt）和Robert L.Forward（英语：Robert L.Forward）进一步完善，用于排出和移除范艾伦辐射带的辐射场[40] that surround the Earth.[41]。

另一个排放范艾伦带的建议是将极低频（VLF）无线电波从地面发射到范艾伦带[42]。

也有人提出要排空其它行星周围的辐射带，例如，在探索欧罗巴之前，该卫星在木星的辐射带内运行[43]。

截至2014年，尚不确定移除这些辐射带是否会产生任何意外后果（英语：Unintended consequences）或负面影响[39]。

相关条目

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注解

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  1. ^ Orbital periods and speeds are calculated using the relations 4π2R3 = T2GM and V2R = GM, where R is the radius of orbit in metres; T is the orbital period in seconds; V is the orbital speed in m/s; G is the gravitational constant, approximately 6.673×10−11 Nm2/kg2; M is the mass of Earth, approximately 5.98×1024千克（1.318×1025磅）.
  2. ^ Approximately 8.6 times (in radius and length) when the Moon is nearest (that is, 363,104 km/42,164 km), to 9.6 times when the Moon is farthest (that is, 405,696 km/42,164 km).
  3. ^ 对于β、γ和x射线，以拉德为吸收剂量的单位，等于以“仑目”为单位的等效剂量

引文

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其它来源

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  • Holmes-Siedle, Andrew; Adams, Len. Handbook of Radiation Effects 2nd. Oxford; New York: Oxford University Press. 2002. ISBN 978-0-19-850733-8. LCCN 2001053096. OCLC 47930537. 
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外部链接

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