等离子体屏障保护着我们
在地球大气之上，电子以接近光速的速度呼啸而过。这种超相对论电子构成了外太空Van Allen辐射带，它们绕地球疾驰，一圈仅需5分钟，并会轰击沿途遇到的一切。如果暴露于这种高能辐射之中，会导致卫星电子设备严重损毁，也可能给宇航员带来严重的健康风险。
目前，来自麻省理工学院（MIT）、科罗拉多大学以及其它地方的研究人员们发现超相对论电子接近地球的程度存在一个极限。研究团队发现尽管这些超相对论电子拥有强大的能量，也不管它们围绕地球赤道的哪个区域旋转，它们接近地球最多不会超过离地11000千米。 是什么把这些高能辐射限制在特定的区域了？似乎既不是地球磁场，也不是远程无线电波。而是一种被称为“等离子体层嘶嘶声”的现象，由一种大气层上端的甚低频电磁波引起，这也可以通过扬声器发出，类似于静电噪声或白噪。 根据手头的数据和计算，研究人员们认为这种等立体层嘶嘶声基本会偏转所有入射电子，导致它们与地球大气层上端的中性气体原子相撞，并最终消失的无影无踪。这种天然的、难以逾越的屏障似乎是非常牢固的，使得高能电子不会接近地球超过约2.8倍的地球半径的距离，或是离地11000千米。 “这是一种显著的并且不同寻常、不可小觑的现象，”MIT草堆天文台副主任John Foster说。“这告诉我们如果我们恰巧将卫星或绕地有人空间站放置在这种难以逾越的屏障之内，可以预见它们将会拥有更长的寿命。了解这一点是比较好的” 本周，Foster和它的同事们，包括来自科罗拉多大学的第一作者Daniel Baker，已经将他们所获得的结果发表在了《自然》杂志上。 Shield Up 该团队的结果基于美国航空航天局（NASA）的Van Allen探测器（运行在Van Allen辐射带的恶劣环境中的两颗姊妹飞行器）获得的数据。为了观测空间高能电子的行为，每个探测器的设计能够承受持续的辐射轰击。 研究人员们分析了由探测器返回地面的前20个月的数据，观察到了一个阻挡超相对论电子的“极其牢固”的屏障。即使面对像2013年10月发生的太阳风驱动的冲向地球的电子群，即太阳风暴，该屏障依然可以保持稳定。即使是面对类似的恒星冲击，该屏障可以将电子阻挡在离地11000千米之外。 为了确定这种现象背后的机理，研究人员们考虑到几种可能性，包括地磁场的作用和地基无线电波的传递。 至于前者，该团队特别关注南大西洋磁异常区，这是地球磁场的特征之一，即刚过南美洲，相比其他任何区域该区域的磁场的强度大约降低了30%。Foster推测，如果入射电子是受到地球磁场的影响，那么南大西洋磁异常区将会成为它们运动路径上的一个漏洞，这样它们就可以深入地球大气层。然而，由Van Allen探测器的数据判断，即使抛去南大西洋磁异常区的作用，电子也都被阻挡在离地11000千米之外。这就证明地球磁场对屏障的仅有较小的作用。 Foster同样考虑了远程甚低频无线电波（VLF）传输的作用。其他一些研究人员提出这可能会显著降低高能电子的能量。尽管VLF传输能渗透到大区层上端，但是研究人员们认为这种无线电波仅会影响中等能量的电子，其对超相对论电子仅有较小的作用，甚至没有任何作用。 相反，该团队发现这种天然屏障可能是电子朝向地球的低速运动和等离子体层嘶嘶声之间的一种平衡。由Van Allen探测器测量的电子的俯仰角得出这一结论，俯仰角是指电子的运动平行或垂直地球磁场的程度。研究人员们发现等离子体层嘶嘶声能缓慢地扭转电子路径，导致它们与磁场线平行运动进入大气层上端，在大气层中它们很可能与中性原子碰撞，然后消失无影。 达特茅斯学院的物理学教授Mary Hudson说来自Van Allen探测器的数据提供了对地球辐射带及其边界的非常详细的测量。“在发射Van Allen探测器后的两年中，这些新的观测结果证实这种内部边界能持久存在，这为粒子在磁化天体物理系统中的加速和损失理论增添了额外制约，”并没有参与到这项研究中的Hudson说。 通过“新眼”观测 Foster说这是研究人员第一次如此详细地描述地球辐射带和控制它的力的特性。过去为了衡量辐射带的作用，NASA和美国军方合作发射升空了由卫星携带的粒子探测器：据Foster称，针对这种有害辐射，NASA对设计更好的防护感兴趣，而美国军方却有其它的动机。“上世纪60年代，美国军方的太空核爆在地球的周围形成了人工辐射带，”Foster说。“他们监测到这一巨大的辐射带变化。因此，他们意思到在任何形式的核战情形下，这都可能被用来做一件事情，即使任何人的侦察卫星无法正常工作。” 这些努力收集到的数据没有如今的Van Allen探测器测量到的数据精确，这主要是因为以前的设计的卫星并不能在如此恶劣的条件下运行。相反，这种适应能力强的Van Allen探测器能收集到关于地球辐射带的状态和边界的最详细的数据。 “使用一套新型仪器就像在使用一双新眼观察这种现象，这能够详细地告诉我们‘是的，那儿有这种牢固而快速的边界’，”Foster说。
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