NASA探测器揭示了Van Allen安全带变化的形状

NASA的Van Allen Probes的最新研究表明，Van Allen皮带的形状可以从无槽区域的单个连续皮带，到具有较小外皮带的较大内皮带，甚至完全没有内皮带。

距离地球表面约600英里的两个甜甜圈形电子群中的第一个，被称为范艾伦带或辐射带。了解皮带的形状和尺寸，皮带的形状和尺寸会随着来自太阳的入射辐射而收缩和膨胀，这对于保护我们的太空技术至关重要。苛刻的辐射不利于卫星的健康，因此科学家希望知道在不同情况下哪些轨道可能受到威胁。

自1950年代以来，当科学家首次开始绘制这些高能粒子环的图片时，我们对它们的形状的理解在很大程度上保持不变-一个小的内部带，一个空旷的空间（称为狭缝区域），然后是外部带，它主要由电子组成，是两者中较大且更动态的。但是，一项来自NASA的Van Allen Probes的数据研究表明，这个故事可能并不那么简单。

研究的主要作者，来自新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室和新墨西哥财团的杰夫·里夫斯说：“皮带的形状实际上完全不同，这取决于您要查看的电子类型。” 2015年12月28日，在《地球物理研究》杂志上。“不同能级的电子在这些区域中的分布不同。”

而不是辐射带的经典图片-小内带，空槽区域和大外带-这项新的分析显示，形状可以从无槽区域的单个连续带到更大，但较小带的内带变化。外皮带，根本没有内皮带。许多差异是通过分别考虑处于不同能级的电子来解决的。

（插图）辐射带的传统概念包括更大，更动态的外带和更小，更稳定的内带，其中空的狭缝区域将两者分开。但是，根据来自NASA的Van Allen Probes的数据进行的一项新研究表明，根据所考虑的电子能量和磁层的一般情况，所有三个区域（内带，缝隙区和外带）的外观可能会有所不同。在1兆电子伏特（Mev）以上，被测出的最高电子能量仅在外层带中可见。在测得
的最低电子能级（约0.1 MeV）下，辐射带看起来有很大不同。此处，内部皮带比传统图片中的要大得多，扩展到了长期以来一直被认为是空插槽区域一部分的区域。在这些较低的电子能量中，外层带减少了，并且没有扩展到足够远。（插图）在地磁风暴期间，两条带之间的空白区域会完全充满低能电子。传统上，科学家认为该缝隙区域仅在大约每10年发生一次最极端的地磁风暴时才填充。但是，新数据表明，在几乎所有地磁风暴期间，能量较低的电子（高达0.8 MeV）填充该空间的情况并不少见。

里夫斯说：“这就像听一首歌的不同部分。”“低音线的声音不同于人声，而人声则不同于鼓，依此类推。”

研究人员发现，当观察低能电子时，内带（在经典带图中较小的带）要比外带大得多，而当观察高能电子时，外带则更大。在最高能量下，内部皮带结构完全消失。因此，根据人们关注的重点，辐射带可能会同时具有非常不同的结构。

地磁风暴进一步改变了这些结构。当来自太阳的快速移动的磁性材料（以高速太阳风或日冕物质抛射的形式）与地球磁场碰撞时，它们会使其振荡，从而产生地磁风暴。地磁风暴可以暂时增加或减少辐射带中的高能电子数量，尽管一段时间后辐射带会恢复其正常构型。

目前，这些风暴驱动的电子的增加和减少是无法预测的，没有清晰的模式显示出哪种类型或强度的风暴将产生什么样的结果。在空间物理学界有一种说法：如果您看到过一次地磁风暴，那么您就看到过一次地磁风暴。事实证明，这些观察结果主要基于仅处于少数能级的电子。

里夫斯说：“当我们观察广泛的能量时，我们开始看到风暴动力学的某些一致性。”“不同能级的电子响应在细节上有所不同，但存在一些共同的行为。例如，我们发现电子在地磁风暴后迅速从缝隙区域消失，但是缝隙区域的位置取决于电子的能量。”

通常，在地磁风暴期间，外电子带向内向内扩展，用低能电子完全填满缝隙区域并形成一条巨大的辐射带。在较低的能量下，狭缝与地球的距离更远，形成了一条比外部带大的内部带。在较高的能量下，狭缝形成为更靠近地球，从而反转了相对大小。

孪生的Van Allen Probes卫星扩大了我们可以捕获的高能电子数据的范围。除了研究以前已经研究过的极高能量的电子（载有数百万个电子伏特）之外，Van Allen探针还可以捕获仅包含几千个电子伏特的低能电子的信息。此外，航天器以比以前更大的数量的独特能量来测量辐射带电子。

里夫斯说：“以前的仪器一次只能测量五到十个能级。”“但是Van Allen Probes可以测量数百个。”

过去，由于在最靠近地球的辐射带区域中存在质子，因此在这些较低能量下测量电子通量已被证明是困难的。这些质子穿过粒子探测器，产生一个嘈杂的背景，需要从中拾取真正的电子测量值。但是，高分辨率的Van Allen Probes数据发现，这些能量较低的电子的循环比以前想象的更接近地球。

里夫斯说：“尽管有质子噪声，但范·艾伦探棒可以清楚地识别出被测电子的能量。”

从数百个能量级别（而不是几个能量级别）中进行的此类精确观测，将使科学家能够创建更精确，更严格的模型，以准确描述在地磁暴期间和相对时期辐射带中正在发生的事情。冷静的。

里夫斯说：“您总是可以调整理论的一些参数，使其与两个或三个能级的观测值相匹配。”“但是，以数百种能量进行观测会限制您可以与观测匹配的理论。”

出版物：Geoff Reeves等人，“内部区域，外部区域和狭缝区域中keV对MeV电子的能量依赖性动力学”，《地球物理研究》，2015年； DOI：10.1002 / 2015JA021569