2018-07-29

 

研究人员发现,地球的"等离子球"能够抵御有害的辐射带。

 

在地球大气层的高空,电子以接近光速的速度呼啸而过。这些超相对论的电子组成了范艾伦辐射带的外带,它们在短短五分钟内就能绕行星飞行,轰击沿途的任何东西。暴露在这种高能量的辐射下会对卫星电子设备造成严重破坏,并对宇航员的健康构成严重威胁。

现在,麻省理工学院、科罗拉多大学以及其他地方的研究人员发现,超相对论电子与地球的接近程度是有严格限制的。研究小组发现,不管这些电子在地球赤道附近的什么地方旋转,它们离地球表面仅有11000公里远——尽管它们拥有强大的能量。

阻止这种高能量辐射的,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"等离子球"的现象——在地球高层大气中,极低频电磁波,通过扬声器播放,就像静态或白噪声一样。

根据他们的数据和计算,研究人员认为等离子球实质上偏转了进入地球的电子,导致它们与地球高层大气中的中性气体原子发生碰撞,并最终消失。这种天然的不可穿透的屏障似乎极其坚硬,使高能电子保持在不接近2.8左右地球半径——或距地球表面11000公里

"这是一个非常不寻常和显著的现象,"麻省理工学院海斯台天文台的副主任约翰·福斯特说,"这告诉我们,如果你把一颗卫星或一个轨道空间站和人类一起停在这个不可穿越的障碍物内,你会期望他们有更长的寿命。这是个好消息。"

福斯特和他的同事,包括科罗拉多大学的首席作者丹尼尔·贝克,本周在《自然》杂志上发表了他们的研究结果。

保护起来

该小组的结果是基于美国宇航局的范艾伦探测器收集的数据-双星飞船是在范艾伦辐射带的恶劣环境轨道。为了测量空间高能电子的行为,每一个探测器都被设计成能够承受恒定的辐射轰击。

研究人员分析了探测器返回的头20个月的数据,并观察到极端相对论电子的"非常尖锐"的势垒。即使在这样的恒星压力下,这个屏障也阻止电子穿透地球表面11000公里以上的地方。

为了确定障碍物背后的现象,研究人员考虑了一些可能性,包括来自地球磁场的影响和来自地面无线电的传输。

对于前者,研究小组特别关注南大西洋异常——地球磁场的一个特征——就在南美洲,那里的磁场强度比其他任何地区都要弱30%左右。福斯特推断,如果进入的电子受到地球磁场的影响,南大西洋异常会像一个"它们运动路径上的洞",让它们更深入地落入地球大气层。然而,从范艾伦探测器的数据来看,电子的距离保持在11000公里,甚至超出了南大西洋异常的影响——这证明了地球的磁场对障碍物的影响很小。

Foster还考虑了远距离甚低频无线电传输的影响,其他一些人提出,这可能会造成相对高能电子的重大损失。尽管甚低频传输可能泄漏到高层大气中,但研究人员发现,这种无线电波只影响中等能级的电子,而对超相对论电子几乎没有影响。

相反,该研究小组发现,自然势垒可能是由于电子的慢速向地运动与等离子球之间的平衡。这个结论是基于范艾伦探针测量电子的俯仰角——即电子的运动与地球磁场平行或垂直的程度。研究人员发现,等离子气体的气体会缓慢地旋转电子的路径,导致它们与磁场线平行地落到地球高层大气中,在那里它们很可能与中性原子发生碰撞而消失。

达特茅斯学院的物理学教授玛丽·赫德森说,来自范·艾伦探测器的数据"提供了非常详细的测量"地球辐射带及其边界。

没有参与这项研究的哈德逊说:"这些新的观测证实,在范艾伦探测器发射后的两年里,这种内边界的持续存在给磁化天体物理系统中的粒子加速和损耗理论带来了额外的限制。"

"新眼睛"

福斯特说,这是研究人员首次能够如此详细地描述地球辐射带的特征,以及控制辐射带的力。在过去,NASA和美国军方已经在卫星上发射了粒子探测器,以测量辐射带的影响:NASA对设计更好的防护措施以抵御这种破坏性辐射感兴趣;福斯特说,军方也有其他动机。

"1960年代,军方通过核弹头在太空中的爆炸在地球周围制造了人造辐射带,"福斯特说。"他们监测了巨大的辐射带变化。人们认识到,在任何类型的核战争情况下,这都是可以用来压制任何人的间谍卫星的一种方法。"

从这些努力中收集的数据远没有范艾伦探测器今天所测量的那样精确,主要是因为以前的卫星没有设计在如此恶劣的条件下飞行。相比之下,弹性范艾伦探测器已经收集到了关于地球辐射带的行为和限度的最详细的数据。

福斯特说:"这就像用新的眼睛观察这个现象,用一套新的仪器,给我们提供了一些细节,告诉我们'是的,这里有一个硬的、快速的边界'"

这项研究部分由美国航天局资助。

資料來源: 准备转变http://www.pfcchina.org/zhishijieshao/15663.html

(图文来自网络,版权属于原创)

如是說 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()