保护电信和导航卫星的新方法

地球磁环境的可视化

一个国际科学家团队回答了有关我们太空环境的基本问题，并揭示了保护电信和导航卫星的新方法。

探索者1号物理学家詹姆斯·范·艾伦（James Van Allen）利用美国第一颗进入太空的卫星的测量数据，于1958年发现太空具有放射性。地球被两个带高电荷粒子辐射的甜甜圈形环围绕着-一个高能电子和正离子的内环和一个高能电子的外环-现在被称为范艾伦辐射带。传送带中的高能粒子以接近光速的速度飞行，为太空中的卫星和人类创造了恶劣的环境。

近年来，人们对理解Van Allen皮带有了浓厚的科学兴趣。现在，新技术要求电信卫星在这些传送带中花费大量时间，而GPS卫星必须在传送带的中心运行。UCLA学院地球，行星和空间科学研究地球物理学家，国际团队的成员Yuri Shprits表示，随着空间电子器件尺寸的日益缩小，卫星越来越容易受到空间辐射的影响。

对航天器最危险的粒子被称为相对论和超相对论电子。Shprits说，超相对论或“杀手电子”特别危险，可以穿透太空中最受保护和最有价值的卫星。他补充说，虽然有可能保护卫星免受相对论粒子的侵害，但实际上不可能屏蔽超相对论粒子。

自范艾伦（Van Allen）发现太空辐射以来，了解这些粒子的动力学一直是科学家面临的主要挑战。自1960年代后期以来，科学家们进行了许多观察，以试图了解Van Allen带上电子的损失。

提出的理论之一是粒子被电磁离子回旋波散射到大气中。这些波是通过注入比电子重且携带大量能量的离子产生的。这些波可能会将电子散射到大气中。直到最近，这仍然是失去电子的最有可能的候选者。

Shprits及其同事在2006年提出了另一种机制。他们建议，当电子扩散到行星际空间而不再被地球磁场捕获时，超过99％的粒子突然丢失。研究小组进行了其他研究，为该机制提供了更多证据。

科学家用相对论能量对大量电子进行建模似乎支持这种机理，并且不需要电磁离子回旋加速器对电子进行散射。但是，目前尚不清楚在暴风雨中哪种机制起作用或占主导地位，哪种机制解释了空间环境中电子最引人注目的下降。

颗粒的损失很难确定。两种类型的损失机制在暴风雨期间都会加剧，因此很难将它们彼此区分开。

暴风雨后范艾伦辐射带的结构示意图。

对于科学家而言，幸运的是，多种因素共同帮助他们解决了争端。2013年1月，Van Allen传送带暴风雨使研究人员能够使用探测器测量粒子的分布和方向。在带的不同位置发现了最强烈的相对论和超相对论电子。而且超相对论粒子位于磁层内部的深处（不受磁致绝经的电子损失的影响，磁致绝经是地球磁场与太阳风之间的边界）。

研究人员的详细测量（包括粒子速度，速度方向和径向分布）都表明，波确实是将粒子散射到大气中，但仅影响超相对论电子，而不影响相对论粒子。

Shprits说：“我们的发现解决了有关我们太空环境的一个基本的科学问题，可能有助于开发清除有害辐射的辐射带并使地球周围环境对卫星更友好的方法，” Shprits说。他是四月份任务的主要研究员，该任务从西伯利亚的沃斯托尼（Vostochny）发射了包含UCLA建造的仪器集合的卫星。这项工作有望为全世界的科学家提供太空辐射的测量，并在未来几年内推动太空科学的发展。

团队的其他成员是加州大学洛杉矶分校的科学家（研究人员亚历山大·德罗佐夫和亚当·凯勒曼，以及博士后学者慧珠）。德国位于波茨坦的GFZ地球科学研究中心（Irina Zhelavskaya和Nikita Aseev，他们在2015-16年度在UCLA进行了为期六个月的访问学者； Shprits在这里担任联合任命）；斯坦福大学（Maria Spasojevic）；科罗拉多大学博尔德分校（Maria Usanova和Daniel Baker）；明尼阿波利斯的奥格斯堡学院（Mark Engebretson）；加州大学伯克利分校（Oleksiy Agapitov，也曾在乌克兰的基辅大学任教）；芬兰奥卢大学（Tero Raita）；和新罕布什尔大学（Harlan Spence）。

自然通讯研究的资金来源包括加州大学校长办公室，国家科学基金会，美国宇航局和亥姆霍兹协会“模仿招募”计划。

出版物：Yuri Y. Shprits等人，“范艾伦辐射带中波引起的超相对论电子的损失”，《自然通讯》第7期，文章编号：12883; doi：10.1038 / ncomms12883