关于地球辐射带介绍

[拼音]：diqiu fushedai

[外文]：radiation belts of the Earth

在地球周围空间，存在由地磁场捕获的大量带电粒子的区域。辐射带呈环状分布（图1），环的横截面轮廓呈月牙形，大体与地磁场磁力线重合，外边缘距地心约10个地球半径。辐射带粒子主要是质子和电子。粒子能量分布于 104～108电子伏之间。辐射带按其成分、位置、能量、成因可大致划分为内质子带、外质子带、电子带和人工辐射带。

辐射带因其粒子被地磁场捕获，又称捕获辐射带，简称捕获带；以其发现者的名字命名，又称范爱伦辐射带，或范爱伦带。

研究简史

20世纪初，F.C.M.史笃默用带电粒子在偶极磁场中运动的理论证明，在地球周围存在一个史笃默捕获区。凡在其中运动的带电粒子都不能离开此区域，外来带电粒子也都不能进入此区域。对能量不同、方向不同的粒子，史笃默捕获区的位置不同。对于能造成磁暴电流环的粒子，史笃默捕获区大都在后来发现的辐射带内。但当时没有足够理由说明外来粒子能够进入捕获区，因此，并没有得出有被捕获的带电粒子在地球周围存在的结论。

1956年，辛格(S.F.Singer)为克服S.查普曼的磁暴环电流不稳定的困难，根据史笃默和H.阿尔文的粒子运动理论提出一种说法，认为磁暴主相电流环是被捕获在史笃默捕获区内的带电粒子漂移运动的结果。这是首次预言辐射带的存在。

1958年，J.A.范爱伦用美国“探险者”1号卫星上的盖革计数器，首次直接探测到地球周围存在通量很强的高能带电粒子，并判定这些粒子是被捕获的，于是实际上发现了辐射带。这是人造卫星上天以后的第一个重大发现。

早期（60年代初）探测使用的主要仪器是盖革计数器，它只能测到能量较高的粒子，因此早期的辐射带概念也就偏重强调能量较高的粒子，尤其是质子，能量多在3×107电子伏以上。60年代后期，静电分析器开始用于空间低能粒子探测，发现在外辐射带区域中存在大量能量较低的捕获质子（能量大于 104电子伏）。正是这些质子造成磁暴主相环电流，70年代初的探测重点便转向了这些辐射带的低能粒子及其与磁暴、磁层亚暴的关系等动力学问题。70年代以后的研究目标，开始集中于探索辐射带成因及变化的动力学规律，建立定量模式。

带电粒子在地磁场中的运动

决定辐射带结构的主要因素是带电粒子在地磁场中的运动形式。辐射带中粒子浓度极其稀薄，粒子间极少碰撞，粒子在地磁场中的运动可以看作自由运动。在某些区域或某种程度上，粒子运动会反过来改变地磁场。粒子之间也可以通过等离子体波动而相互作用。前一种情况可以视为粒子在受扰动的地磁场中的运动。后一种情况可以视为等离子体波对粒子在地磁场中自由运动的扰动。此处主要介绍粒子在地磁场中的运动。

地磁场近似为偶极磁场，被捕获的带电粒子在偶极磁场中的运动如图2。

运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用绕磁力线做回旋运动，磁矩

，

式中m、v分别为粒子的质量、速度；α 为粒子速度方向与磁力线的夹角，称为投掷角或投射角；B为地磁场强度。只要粒子回旋一周所遇到的地磁场变化不大（通常都如此），粒子磁矩就近似守恒。这意味着，粒子所在位置的磁场增强时，或是投掷角会变大，或是垂直动能会增加。这种变化是可逆的，称为寝渐变化。

如果粒子在围绕磁力线回旋时投掷角不等于90°，则在回旋的同时将沿磁力线运动。当它沿磁力线离开赤道面时投掷角变大，当投掷角增大到90°时，它不能再继续沿磁力线向前，而是被磁场反射回来。这种磁场结构称为磁镜，反射点称为磁镜点。粒子的磁镜点由它在赤道面时的投掷角决定。赤道投掷角越小，磁镜点离两极（或说离地面）越近，粒子越深入大气层。深入到一定深度的粒子，将由于和大气分子的碰撞而损失掉。与此相对应的赤道投掷角，形成一个以磁场方向为轴的锥面，称为损失锥。投掷角落于损失锥之内的粒子都会损失掉。投掷角在损失锥之外的粒子，将在南北两个磁镜点之间来回反射，这种周期运动称为d跳运动。

如果粒子回旋半径很小，则回旋运动和d跳运动使粒子被束缚在磁力线上。但由于偶极场的非均匀性，这种束缚只是相对的。粒子在d跳的同时会缓慢地从一条磁力线移向邻近的磁力线，称之为漂移。漂移的方向垂直于子午面，电子向东，质子向西。粒子的运动全貌可以看成是在图2的月牙形运动内回旋、d跳，同时，此月牙形平面也绕偶极轴旋转。其中的中心磁力线经这样旋转构成一个封闭曲面，称为漂移壳（也称磁壳）。漂移壳可以用其在赤道面的截点到地心的距离来度量，此距离与地球半径比值记为L，称为磁壳参量。

上面关于带电粒子在偶极场中运动的描述，是阿尔文在40年代提出的，称为引导中心理论。只要粒子能量没有大得使其回旋半径可与它到偶极中心的距离相比，引导中心理论就成立，即粒子运动可以表述成回旋、d跳和漂移的叠加，粒子轨道不能离开漂移壳，也就是说粒子被磁场捕获了。这3种运动都是周期运动，其周期视不同地点、不同能量、不同方向的粒子而不同。在辐射带中，质子回旋运动周期为1毫秒到1秒;电子为1微秒到1毫秒。d跳运动周期为数百毫秒到数十秒，同能量的电子较质子周期短。同能量的电子和质子的漂移运动周期几乎相同，外带低能粒子约为10～20小时，内带高能粒子约为1分钟。

实际地磁场并不是真正的偶极场，上述的运动只是近似图像。在辐射带的外部区域，太阳风使地磁场变形，严重偏离偶极场。靠外部的一些漂移壳将和磁层顶或磁尾等离子体片相交。这些漂移壳上的粒子将从辐射带逃逸出去，这一区域称为准捕获区。在准捕获区之外，漂移概念失效，完全没有漂移壳，粒子不被捕获。在准捕获区之内的区域，粒子被稳定捕获，称为捕获区。和史笃默捕获区概念不同，这种捕获区是由磁场结构非偶极特性决定的。

捕获区边界以4×104电子伏的电子被捕获来定义。捕获区边界就是辐射带的外边界。

辐射带结构、变化和成因

通常把辐射带按磁壳参量L<2和L>2划分为内、外两带。对质子，这种划分是有根本意义的，对电子则并不重要。

辐射带发现的早期，认为内带主要成分是质子，外带主要成分是电子。这是把辐射带划分为内、外带的依据。后来发现，外带也有质子，但和内带质子的来源、能谱截然不同。同样，内、外带都有电子，而其来源和分布则没有明显的不同。现在采用内辐射带和外辐射带的名称时，主要是针对质子而言，因此常称为内质子带和外质子带。对电子，一般并不强调分内外带。如果用内外带名称来讨论电子，那也多半是为了描述方便而取的一种人为的地域划分。

这是辐射带中最先发现的，其下界高度随经纬度而变，平均约600公里；上界大约为从纬度45°的地面发出的磁力线(L=2)。

内质子带是由能量高于106电子伏的质子组成的。其中心位置、能谱和强度见表。内质子带是相当稳定的，特别是其内侧，强度几乎不受地磁活动影响。

内质子带来源于反照中子的β衰变。宇宙射线进入地球大气层，撞击大气原子核，发生的核反应的产物中有能量大于106电子伏的中子，这些中子可以径直向地球外逸出，称为反照中子。在向外逸出过程中发生β衰变。衰变产物中的质子被地磁场捕获，这是内质子带的来源。

被捕获的高能质子会由于和中性大气分子碰撞消耗能量而最终损失掉（被大气吸收）。这种损失机制也是很弱的。内带质子的寿命可长达数年。内质子带的分布是由产生、扩散和消失这几种微弱因素的长期平衡形成的，所以在短时期内相当稳定。

又称环电流带，是辐射带中发现最晚的区域。它由能量为104～106电子伏的质子组成，分布于内辐射带之外直至整个捕获区。在背阳面上甚至和磁尾等离子体片连成一体。其中心位置（能量密度最大）约在L=3.5处，此处能量密度约为10-7尔格／厘米3。外质子带的外侧以能量在5×104电子伏以下的低能成分居多；越向内，高能成分比例越大。在平静时期，外质子带的中心地区以能量高于105电子伏的质子为主要成分。

外质子带最重要的特点是它携带的能量大。虽然它的组成粒子的能量较内辐射带粒子能量低得多，但其粒子数较内辐射带高得多，因此能量密度较内辐射带高几个量级，比处于同一空间区域中的电子带也高一个量级以上。在磁层所有各类等离子体中（环电流带，等离子体片，等离子体幔，等离子体层），环电流带是能量最大的，在部分区域中它的能量密度超过当地的地磁场能量密度。在这些区域中不是磁场约束粒子，而是粒子运动通过产生环电流而改变磁场，从而引起地磁场扰动。

外质子带的第二个特点是它经常受扰，变化很大。环电流带的变化是磁层暴的一个主要表现方面(见磁暴)。

磁层暴时从磁尾进入磁层的质子是外质子带的源，而这些磁尾粒子又是来自于太阳风的。这和内质子带的来源完全不同。

外质子带的损失过程也和内质子带不同。磁层波对粒子的扩散作用是外带质子损失的主要原因。外带质子会在等离子体层内激发出质子回旋波。质子回旋波反过来又使质子的投掷角扩散到损失锥中，从而使质子消失于大气层。磁暴主相时，外带质子深入等离子体层，并且通量很大，这种效应特别强。在恢复相的后期，这种损失机制减弱，让位于电荷交换反应：一个高能质子和一个低能中性分子碰撞，把电荷交给低能中性分子，变成一个高能中性分子和一个低能带电粒子，高能中性分子则逃离捕获区。在恢复相后期，电荷交换反应是主要的损失机制。

能量大于4×104电子伏的电子分布于整个捕获区，强度为106～108厘米-2·秒-1。越向内，能谱越趋于变硬，即高能成分比例增大。平静时期，在 L=2.5左右处有一个电子密度较低的区域，把电子分布分割成内外两个峰。但这两个峰都是电子由外(等离子体片)向内扩散形成的，不像质子带那样形成两个来源和能谱截然不同的带。当磁暴时由于扩散条件的改变，两个峰之间的谷被填充，两个峰的结构就消失了。

电子带的特点是十分不稳定，对地磁场变化的反应十分灵敏。尤其是外带电子，磁暴前后的强度常相差一两个量级；在内带区域也能看到磁暴对电子浓度的影响。等离子体片注入和扩散进来的电子是辐射带电子的主要来源。内带中，反照中子的β衰变产生的电子也提供一部分来源。

辐射带电子强度增加到一定程度之后，会激发起甚低频波动，从而导致投掷角扩散而损失。这是很强的损失机制，在L>1.5，电子损失限制了辐射带电子浓度的增加，并决定了电子寿命。在L>4，寿命约10天；在L<2，寿命约2年。在L<1.5，损失原因主要是同大气分子碰撞。越向下，寿命越短。

辐射带发现之初，1958～1962年美国和苏联相继进行了 9次高空核爆炸。每次核爆炸都在爆炸点附近的漂移壳上产生大量衰变产物，主要是电子，其浓度大都超过天然电子。这些人工电子和天然电子一样，被地磁场捕获，生成一些局部高强度带，称为人工辐射带。人工辐射带径向宽度较窄，全部分布在内辐射带区域中，这恰是电子寿命最长的区域，1958～1962年的高空核爆炸形成的人工辐射带维持了几年，直到1966年才逐渐消失。

人工辐射带生成时期正值人们发现和认识辐射带的初期，它对研究辐射带粒子运动和消失规律起了很大作用，在60年代和70年代初曾引起过极大的兴趣和注意。

研究意义

辐射带所在区域正是大多数空间飞行器飞行的范围。辐射带中高能成分穿透力较强，会对人体及材料造成辐射损害。辐射带中的低能成分则会与飞行体作用，产生荷电、放电等等离子体效应，影响飞行器的正常工作。严重时会导致仪器损伤和破坏。因此辐射带是重要的空间飞行环境因素。

辐射带作为磁层的主要等离子体区域，对磁层本身的运动有很大影响，在磁层物理学研究中，始终占据很重要地位。

参考书目

1. S.-I. Akasofu and S. Chapman，Solar-terrestrialPhysics，Oxford Univ.Press， London， 1972.