范艾伦辐射带.ppt

辐射带 1958年 探险者一号 探险者三号和苏联的卫星三号等科学卫星被发射后科学家出乎意料地发现了地球周围强烈的 被地磁场束缚的范艾伦辐射带 内辐射带 这个辐射带由能量在10至100MeV的质子组成 这些质子是由于宇宙线与地球大气上层撞击导致的中子衰变产生的 其中心在赤道离地球中心约1 5地球半径 后来人们发现在离地球中心2 5至8个地球半径的地方还有一层被地磁场束缚的离子和电子 这些等离子中能量比较高的 约1MeV 被称为外辐射带 而其主要组成部分则能量比较低 在65keV左右 这些等离子组成环电流等离子 JamesVanAllen September7 1914 August9 2006 anAmericanspacescientistattheUniversityofIowa TheVanAllenradiationbeltswerenamedafterhim followingthe1958satellitemissions Explorer1andExplorer3 inwhichVanAllenhadarguedthataGeigercountershouldbeusedtodetectchargedparticles TIMEmagazineManoftheYearin1960 一部分进入地球磁层 或者说被地球磁层俘获的高能粒子 则被禁锢在两个被称为辐射带的范围内 这两个辐射带是物理学家范 艾伦 VanAllen 于1959年通过人造卫星的实验发现的 故被命名为范 艾伦辐射带 它分内外两带 内辐射带高度在1 2个地球半径之间 宽约5000km 范围限于南北磁纬40 之间 所观测到的主要是高能质子 外辐射带的高度约为3 4个地球半径 其纬度范围为南北磁纬50 一60 之间 所观测到的主要是高能电子 辐射带的范围和形状 受地球磁场的制约 并且因太阳活动而变化 至于这些粒子是如何陷在这二个区域里 其详细物理过程尚未清楚 辐射带 被束缚在磁场中的离子可以非常稳定 尤其内辐射带的离子非常稳定 这里的粒子可以维持数年之久 比如1962年7月美国在这个层里爆炸了一枚氢弹 其导致的人工的高能电子带在四五年后依然存在 外辐射带和环电流不稳定 原因是其粒子与地冕中的粒子的碰撞使得它们不断丧失 这说明在这里有一个不断产生新的等离子的机理 范艾伦辐射带 指在地球附近的近层宇宙空间中包围着地球的高能辐射层 由美国物理学家詹姆斯 范 艾伦发现并以他的名字命名 范艾伦辐射带分为内外两层 内外层之间存在范艾伦带缝 缝中辐射很少 范艾伦辐射带将地球包围在中间 发现1958年1月31日 美国第一颗人造卫星探险者一号升空 当升至800千米高空时 星上所载盖革计数器读数突然下降至0 到1958年3月26日探险者三号升空时 又发生了同样的情况 范艾伦认为 这是因为存在极大量的辐射导致计数器达到饱和而失灵造成的 因此 同年7月26日发射探险者四号时 他在计数器前端加入一小片薄铅以阻挡部分辐射 果然 新的卫星证实了他的猜测 成因及影响20世纪初 挪威空间物理学家斯托默就从理论上证明 地球周围存在一个带电粒子捕获区 它是由地球磁场俘获太阳风中的带电粒子所形成的 一般来说 内辐射带里高能质子多 外辐射带里高能电子多 辐射带会对人类身体造成巨大伤害 因此 它是人类进行星际转移的巨大障碍 其他影响影响哈伯望远镜的观测 因为哈伯处在相当低的轨道 离地仅559公里来运行 因此 当哈伯通过南大西洋上空时必须暂时关闭观测 因为范艾伦幅射带刚好在这里碰触到地球的上层大气 如果开启观测的话 可能会损坏哈伯的观测元件 Outerbelt ThelargeouterradiationbeltextendsfromanaltitudeofaboutthreetotenEarthradii RE or13 000to60 000kilometresabovetheEarth ssurface Itsgreatestintensityisusuallyaround4 5RE Theouterelectronradiationbeltismostlyproducedbytheinwardradialdiffusion 5 6 andlocalacceleration 7 duetotransferofenergyfromwhistlermodeplasmawavestoradiationbeltelectrons Radiationbeltelectronsarealsoconstantlyremovedbycollisionswithatmosphericneutrals 7 lossestomagnetopause andtheoutwardradialdiffusion Theouterbeltconsistsmainlyofhighenergy 0 1 10MeV electronstrappedbytheEarth smagnetosphere ThegyroradiiforenergeticprotonswouldbelargeenoughtobringthemintocontactwiththeEarth satmosphere Theelectronsherehaveahighfluxandattheouteredge closetothemagnetopause wheregeomagneticfieldlinesopenintothegeomagnetic tail fluxesofenergeticelectronscandroptothelowinterplanetarylevelswithinabout100km adecreasebyafactorof1 000 Thetrappedparticlepopulationoftheouterbeltisvaried containingelectronsandvariousions Mostoftheionsareintheformofenergeticprotons butacertainpercentagearealphaparticlesandO oxygenions similartothoseintheionospherebutmuchmoreenergetic Thismixtureofionssuggeststhatringcurrentparticlesprobablycomefrommorethanonesource Theouterbeltislargerthantheinnerbeltanditsparticlepopulationfluctuateswidely Energetic radiation particlefluxescanincreaseanddecreasedramaticallyasaconsequenceofgeomagneticstorms whicharethemselvestriggeredbymagneticfieldandplasmadisturbancesproducedbytheSun Theincreasesareduetostorm relatedinjectionsandaccelerationofparticlesfromthetailofthemagnetosphere Innerbelt TheinnerVanAllenBeltextendsfromanaltitudeof100 10 000km 8 0 01to1 5Earthradii abovetheEarth ssurface andcontainshighconcentrationsofenergeticprotonswithenergiesexceeding100MeVandelectronsintherangeofhundredsofkeV trappedbythestrong relativetotheouterbelts magneticfieldsintheregion Itisbelievedthatprotonsofenergiesexceeding50MeVinthelowerbeltsatloweraltitudesaretheresultofthebetadec