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范艾伦辐射带:事实与发现

  范艾伦辐射带:事实与发现作者:Elizabeth Howell,Space.com贡献者

   2018年5月11日美国东部时间下午06:40 0 0 更多范艾伦辐射带:事实与发现 1958年发现了两个巨大的辐射区域,称为围绕地球的范艾伦贝尔特。在2012年,范艾伦探测器的观测显示有时会出现第三条带。这里的辐射显示为黄色,绿色代表皮带之间的空间。图片来源:美国宇航局/范艾伦探测器/戈达德太空飞行中心巨大的环形磁带,高能量带电粒子环绕着地球。爱荷华大学的物理学家詹姆斯范艾伦在美国第一颗卫星探测器1号发射后于1958年发现了这些辐射带。辐射带最终以他的名字命名。范艾伦在1958年1月31日发射的探索者1的实验中进行了一项简单的宇宙射线实验,包括盖革计数器(一种探测辐射的装置)和一台录音机。1958年其他三个任务的后续实验 - 探索者3,探索者4和先锋3 - 证实有两条辐射环绕地球旋转。虽然观测持续了数十年,但是当Van Allen Probes于2012年推出时,我们对腰带的认识也得到了进一步提升。他们发现腰带比以前想象的要复杂得多。探针显示带的形状取决于正在研究的颗粒。他们还发现了一些信息,暗示在范艾伦带的某些部分放射的辐射比想象的少,这意味着航天器和人类如果在该地区航行则不需要那么多的辐射防护。广告在探索者1号成立60周年之际,美国宇航局表示,对范艾伦带的研究在今天更为重要。“我们目前的技术越来越容易受到这些加速粒子的影响,因为即使是粒子的一次撞击也会让我们的仪器和电子产品变得更加不稳定,”美国宇航局戈达德太空飞行中心的Van Allen Probes任务科学家David Sibeck表示。 2018年的声明。“随着技术的进步,理解和预测我们的太空环境实际上变得更加紧迫。” 早期调查结果 Van Allen皮带的部分兴趣来自它们所在的位置。众所周知,当太阳变得更加活跃时,皮带会膨胀。在探测器发射之前,科学家们认为内部带是相对稳定的,但当它确实扩展时,其影响范围扩展到国际空间站和几颗卫星的轨道上。外带更频繁地波动。国际空间站自2000年以来一直有人居住,典型的宇航员一次在那里停留六个月。在2015-16赛季,美国宇航局宇航员斯科特凯利和俄罗斯宇航员米哈伊尔科琴恩科在那里呆了将近一年。随着宇航员在轨道停留的时间越来越长,他们的辐射照射也会增加,导致人们担心宇航员在太空中的长期居住。所以科学家们对这个地区的密切研究感兴趣。2012年,推出了一套新的探测器。范艾伦探测器(以前称为辐射带风暴探测器)有几个科学目标,包括发现带中的粒子 - 离子和电子如何被加速和传输,电子如何丢失以及在地磁暴期间带如何变化。该任务计划持续两年,但截至2018年5月,探测器的运行寿命仍超过预期任务寿命的两倍。然而,燃料储备不足,探测器可能会在未来几年内退役。通常情况下,科学家在发射后几个月就需要校准仪器,但是一支使用相对论电子质子望远镜的团队要求他们的仪器几乎立即开启(发射后三天); 他们想在另一个任务之前比较观测结果,SAMPEX(太阳,异常和磁层粒子探测器),离轨并进入地球大气层。 “这是一个幸运的决定,”美国宇航局在2013年2月表示,并指出太阳风暴已经导致辐射带在仪器打开后立即膨胀。“然后发生了一件以前从未见过的事情:粒子落入一个新的配置,显示出一条额外的第三条带延伸到太空,”该机构补充道。“在发布后的几天内,范艾伦探测器向科学家展示了一些需要重写教科书的东西。” 一位艺术家描绘了围绕地球运行的两个范艾伦探测器。一位艺术家描绘了围绕地球运行的两个范艾伦探测器。图片来源:JHU / APL 防护罩探测器收集的数据还表明,辐射带可以保护地球免受高能粒子的侵害。科罗拉多大学博尔德分校的研究主要作者Dan Baker 在一份声明中表示,“超快电子的屏障是带的一个显着特征。” “我们第一次能够研究它,因为我们之前从未对这些高能电子进行过如此精确的测量。” [ 画廊:美国宇航局的范艾伦探测器 ] 这些新信息帮助科学家模拟了皮带的变化。但是有更多的信息要来。2016年1月,科学家们发现,带的形状取决于正在研究的电子类型。这意味着两条皮带要复杂得多; 根据观察到的情况,它们可以是单个皮带,两个单独的皮带或只是一个外皮带(根本没有内皮带)。 “研究人员发现内带 - 经典皮带中较小的皮带 - 在观察低能量电子时比外带大得多,而在更高能量下观察电子时外带更大,”NASA 写道当时。“在最高能量下,内部带结构完全缺失。因此,根据所关注的内容,辐射带可能看起来同时具有非常不同的结构。” 然而,仍然很难理解的是,当地磁暴期间来自太阳的粒子撞击安全带时会发生什么。众所周知,带中的电子数量根据情况而变化,或者减小或增加。此外,风暴过后,皮带最终恢复正常形状。美国宇航局表示目前尚不清楚哪种风暴会导致特定类型的皮带配置。此外,该机构指出,任何先前的观察结果仅使用几个能级的电子。还有更多工作要做。幸运的是,科学家们有机会在2015年3月观察到暴风雨,当时其中一个范艾伦探测器恰好位于地球磁场的“右”点,看到行星际冲击。美国国家航空航天局描述的这种冲击类似于地震引发海啸时的情况; 在这种情况下,来自太阳的带电粒子的日冕物质喷射在带的特定区域中产生冲击。美国宇航局当时写道: “宇宙飞船测得突然的电子脉冲被激活到极速 - 几乎和光速一样快 - 因为震动撞击了外部辐射带。” “这些电子的寿命是短暂的,它们的能量在几分钟之内消散。但是五天之后,在风暴的其他过程消失之后很久,范艾伦探测器发现了更高能量电子的数量增加。这么多以后证明了暴风雨后独特的激励过程。“ 2017年,“华盛顿邮报”发表了一篇文章,其中记录了Van Allen探测仪上记录的一些空间声音,称为电磁场仪器套件和综合科学(EMFISIS)。“尽管人类听不到这些声音 - 因为没有媒介可以传播声音 - 翻译这些数据相当简单,”Post写道。“电磁波与人类可以听到的声谱部分处于相同的频率范围。将这些无线电波转换为MP3是一件简单的事情 - 将EMFISIS数据转换成天空的无线电广播。” 设计更好的航天器 Van Allen探头经过特殊硬化处理,能够承受皮带的强烈放射性环境。然而,一些航天器更容易受到攻击 - 特别是当太阳风暴袭来时。在最坏的情况下,航天器可能会因电力过载而短路。通讯也可能中断。幸运的是,有时在太阳风暴期间可以在航天器上打开或关闭仪器。 凡艾伦带的形状可以根据各个电子的能量以及地球磁环境中的一般条件而有很大差异。 在地磁暴期间(4),带中的所有三个区域都会发生气球。凡艾伦带的形状可以根据各个电子的能量以及地球磁环境中的一般条件而有很大差异。在地磁暴期间(4),带中的所有三个区域都会发生气球。图片来源:NASA GODDARD / DUBERSTEIN 当然,辐射也会带来人为风险。宇航员在太空时受到终生辐射限制,以减少任何癌症风险。然而,由于只有几十人在太空中度过了六个月或更长时间,因此需要花费数十年才能了解辐射对人类的长期影响。国际空间站上的宇航员不经常在安全带内停留时间,但太阳风暴不时将安全带扩展到空间站的轨道。在20世纪60年代,几个阿波罗船员在往返月球的路上经过范艾伦带。然而,他们在辐射密集区域的时间非常短,部分原因是因为轨迹设计为通过最薄的已知部分。随着更多的研究,宇航员可以更好地保护在地球轨道上的长期停留。 “我们研究辐射带是因为它们对航天器和宇航员造成了危害,”美国宇航局位于马里兰州戈达德太空飞行中心的范艾伦探测队任务科学家David Sibeck在2016年8月的NASA声明中说。“如果你知道辐射会有多糟糕,你就可以建造一个更好的太空船来适应这种情况。” 探测器的最新发现表明,某些区域的辐射可能不如科学家们想象的那么严酷。2017年3月,范艾伦探测器发现了一个发现,即先前理论化的内带辐射较少,这意味着该地区的航天器和卫星需要的屏蔽较少。驻留在内部辐射带中的最有活力的电子在那里的时间比科学家事先想象的要短。 第二年,探测器发现从地球发出的某些通信波长(称为极低频通信)有时是一种屏蔽空间高能粒子辐射的屏障。这意味着即使在地球周围的近太空环境中,人类活动也会产生影响。截至2018年,范艾伦探测器的燃料供应不足,预计将于2020年左右完成任务。戈达德正在研究一项名为GTOSat的CubeSat(小型航天器)任务,该任务将继续研究范艾伦安全带。 “这项第一次任务将成为新的耐辐射技术的探路者,可以帮助科学家实现一个长期寻求的梦想:在低地球轨道上部署一组小型卫星,以收集地球上同时的多点测量结果 - 改变磁层,保护地球免受不断受到带电粒子流出太阳的攻击,“美国宇航局于2018年5月表示。

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