范艾伦辐射带:事实与放大发现

日期:2018-05-14 浏览:3

巨大的甜甜圈形状的磁圈,高能带电粒子环绕着地球。爱荷华大学的物理学家詹姆斯范艾伦在1958年首次发射美国卫星1号探测器后发现了这些辐射带。辐射带最终以他的名字命名。

范艾伦在1958年1月31日发射的探测器1的实验中进行了简单的宇宙射线实验,该实验由盖革计数器(检测辐射的装置)和录音机组成。 1958年的另外三个特派团的后续实验 - 探索者3号,探索者4号和先锋3号 - 确定有两束辐射带在地球上盘旋。

虽然观测持续了几十年,但当艾伦探针于2012年发布时,我们对带的了解得到了进一步增强。他们发现带比以前想象的更复杂。探针显示带的形状取决于正在研究的颗粒。他们还发现信息暗示比范艾伦带的某些部分的辐射少,这意味着航天器和人类如果在该地区航行,就不需要太多的辐射防护。

美国国家航空和宇宙航行局(NASA)在探险者1周年纪念60周年时表示,对范艾伦带的研究今天更为重要。 “我们目前的技术更容易受到这些加速粒子的影响,因为即使是粒子的单次击中,也可能会使我们越来越小的仪器和电子设备受到影响,”范艾伦探测器的David Sibeck说,他是美国宇航局戈达德太空飞行中心的使命科学家在马里兰州,在2018年的声明。 “随着技术的进步,理解和预测我们的太空环境实际上变得更加迫切。”

早期调查结果

Van Allen皮带的部分兴趣来自他们所在的位置。据了解,当太阳变得更加活跃时,皮带会膨胀。在探测器发射之前,科学家们认为内带相对稳定,但是当它扩展时,其影响延伸到国际空间站和几颗卫星的轨道上。外皮带经常波动。自2000年以来,国际空间站一直居住在这里,典型的宇航员一次在那里停留六个月。在2015-16年,美国宇航局宇航员斯科特凯利和俄罗斯宇航员米哈伊尔科尼安科在那里呆了近一年。当宇航员在轨道上停留更长时间时,他们的辐射照射也可能增加,导致人们担心宇航员长期居住在太空中。

所以科学家们有兴趣仔细研究这个地区。 2012年,启动了一套新的探测器。范艾伦探测器(以前称为辐射带风暴探测器)有几个科学目标,包括发现带中的粒子(离子和电子)如何被加速和运输,电子如何丢失以及在地磁暴期间带如何变化。该任务计划持续两年,但截至2018年5月,探测器的运行寿命仍然超过预期的两倍。然而,燃料储备量不足,探测器可能在未来几年内退役。

通常情况下,科学家们在发射后几个月就会校准他们的仪器,但是一个拥有相对论电子质子望远镜的团队要求他们的仪器几乎立即开机(发射后三天);他们希望在另一个使命SAMPEX(太阳系,反常系和磁层粒子探测器)之前比较观测资料,脱轨并进入地球大气层。

“这是一个幸运的决定,”NASA在2013年2月说,指出一旦仪器开启,太阳风暴已经导致辐射带迅速膨胀。 “然后发生了一件没有人见过的事:粒子沉淀成了一个新的结构,显示出一条额外的第三条带延伸到太空中,”该机构补充说。 “在发射后的几天内,范艾伦探针就向科学家展示了一些需要重写教科书的东西。”

防护罩

探测器收集的数据还显示,辐射带将地球从高能粒子中屏蔽掉。 “超快电子的障碍是皮带的一个显着特点,”研究的主要作者,科罗拉多大学博尔德分校的丹贝克在一份声明中说。

“我们可以第一次研究它,因为我们以前从未对这些高能电子进行过这样精确的测量。”[图片:NASA的范艾伦探测器]

这些新的信息帮助科学家模拟了皮带的变化。但是会有更多的信息来临。 2016年1月,科学家们透露,传送带的形状取决于正在研究的电子类型。这意味着两条传送带要复杂得多。取决于观察到的情况,它们可以是一条单独的皮带,两条分开的皮带或者只是一条外皮带(根本没有内皮带)。

“研究人员发现,当观察低能量的电子时,内带 - 传送带中经典图像中较小的带 - 比外带大得多,而当观察较高能量的电子时外带较大,”“美国宇航局当时写道。 “在最高的能量下,内部带结构完全缺失,因此,根据所关注的内容,辐射带可能同时具有非常不同的结构。”

然而,人们仍然很难理解在地磁暴期间来自太阳的粒子撞击带时会发生什么。众所周知,带内的电子数量会随着情况的变化而减少或增加。此外,风暴过后,皮带最终会恢复正常形状。美国宇航局表示,目前还不清楚哪种风暴会导致特定类型的皮带配置。此外,该机构指出,任何以前的观察只能用几个能级的电子完成。需要做更多的工作。

幸运的是,2015年3月,科学家有机会观测到一场暴风雨,当时范艾伦探测器恰好位于地球磁场的“正确”位置,看到了行星际冲击。美国国家航空航天局描述的这种冲击与地震引发海啸时类似;在这种情况下,来自太阳的带电粒子的日冕物质喷射在带的特定区域中产生震动。

“宇宙飞船测量出突然的电子脉冲激发到极限速度 - 几乎与光速一样快 - 因为冲击抨击了外部辐射带,”NASA当时写道。 “这种电子的数量很短,能量在几分钟内就消散了,但五天之后,在风暴的其他过程结束之后很久,范艾伦探测器发现了更多的能量更高的电子,后来增加很多是暴风雨后独特的激励过程的证明。“

2017年,“华盛顿邮报”发表了一篇文章,内容是从范艾伦探针仪器上记录的一些称为电磁场仪器套件和综合科学(EMFISIS)的仪器。虽然人类无法听到这些声音 - 因为没有媒介可以让声音传播声音 - Post的文章写道,翻译这些数据相当简单。 “电磁波与人类听得见的声谱部分处于相同的频率范围内,将这些无线电波转换成MP3--将EMFISIS数据转化为来自天空的无线电广播是一件简单的事情。”

设计更好的航天器

范艾伦探头经过特殊淬火处理,可承受皮带强烈的放射性环境。然而,一些航天器更加脆弱 - 特别是在太阳风暴袭击时。在最坏的情况下,航天器可能因电力过载而短路。通信也可能中断。幸运的是,有时可以在太阳风暴期间在太空船上打开或关闭仪器。

辐射当然也会带来人为风险。宇航员从太空时间受到终生辐射限制,以减少任何癌症风险。然而,由于只有几十个人在太空中待了六个月或更长时间,因此需要数十年才能了解辐射对人类的长期影响。

国际空间站上的宇航员并不经常在时间带内度过时间,但时不时的太阳风暴将空气带扩展到空间站的轨道上。在二十世纪六十年代,几个阿波罗船员在去往和离开月球的路上经过了范艾伦带。然而,他们在这个辐射密集地区的时间非常短,部分原因是因为轨道设计为穿过最薄的已知部件。随着更多的研究,宇航员可以更好地保护地球轨道的长期停留。

“我们研究辐射带是因为它们对宇宙飞船和太空人造成危害,”美国宇航局位于马里兰州戈达德太空飞行中心的范艾伦探测任务科学家大卫·西贝克在2016年8月的NASA声明中说。 “如果你知道辐射能得到多么糟糕,你会建造一个更好的航天器来适应这种情况。”

来自探测器的新发现表明,某些地区的辐射可能不如科学家想象的那么苛刻。 2017年3月,范艾伦探针发现,先前推测的内带辐射较少,这意味着该地区的航天器和卫星所需的屏蔽较少。驻留在内部辐射带上的最有活力的电子比科学家预先想象的要少时间。

次年,探测器发现,从地球发出的一些通信波长(称为超低频通信)有时是对高能粒子辐射的屏蔽。这意味着人类活动即使在地球周围的近空间环境中也有影响。

截至2018年,范艾伦探测器的燃油利用率很低,预计将在2020年左右完成任务.Goddard正在研制一种名为GTOSat的CubeSat(小型航天器)任务,将继续研究范艾伦带。

“这项第一任务将成为探索新的耐辐射技术的途径,可帮助科学家实现一个长期追求的梦想:在低地球轨道之外部署一个小卫星星座,以同时收集多个地球\不断变化的磁层,保护地球免受持续撞击太阳的带电粒子的冲击,“美国宇航局于2018年5月说。