地球辐射带研究的新进展
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摘要 随着人类活动逐步走向太空，对地球辐射带的研究不仅具有重要的科学价值，而且具有广泛的经济和社会价值。本文主要对辐射带最新研究的几个关键性问题如：辐射带中粒子的加速度、谐波在粒子加速度中的作用以及波粒相互作用等问题进行了讨论，并对辐射带未来研究的方向进行了展望。
关键词 地球辐射带；中粒子；谐波
中图分类号P185 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）55-0083-03
0 引言
20世纪初有人提出太阳在不停地发出带电粒子，这些粒子被地球磁场俘获，在地球上空形成一个带电的粒子带。50年代末60年代初，美国科学家范・艾伦（James Alfred Van Allen）根据宇宙探测器的观测，证明了带电粒子带的存在，人们称之为地球辐射带。地球辐射带分为两层，对称于地球赤道排列，且只存在于低磁纬地区上空。离地球较近的辐射带称为内辐射带，较远的称为外辐射带，也分别称为内、外范・艾伦带。
辐射带从四面把地球包围了起来，而在两极处留下了空隙。内辐射带的中心约在距地表1.5个地球半径的上空，范围限于磁纬±40°之间，东西半球不对称，西半球起始高度低于东半球，带内含有能量为50兆电子伏的质子和能量大于30兆电子伏的电子。外辐射带位于地面上空约2个~3个地球半径处，厚约6 000km，范围可延伸到磁纬50°~60°处，其中的带电粒子能量比内带小。一般说来，在内辐射带里容易测得高能质子，在外辐射带里容易测得高能电子。（图1）
辐射带中的质子和电子具有足够的能量穿透太空船和空间仪器，潜在地影响着这些装置中的原料、电路和探测器。这些粒子的辐射对空间装置系统造成多种不利的影响，这包括原料的活化、置换损害、内部的充电/放电、单一事件的扰乱/闭锁等。人造卫星材料和辐射带中的电子和质子的相互作用还会产生二次辐射，产生包括电子、中子、X射线和伽马射线等二次辐射产物，这使得观测仪器的探测变得更加复杂。辐射带的影响造成卫星故障、轨道任务降级。在极端的情况下，造成昂贵的卫星失灵。所以对辐射带的研究不仅有重要的科学价值，而且有重要的经济和社会价值。
近几年，科学家对辐射带的研究在几个关键问题上取得了新的进展。如辐射带动力学中电子局地加速度的重要性；作为加速度的来源，电磁波中谐波在辐射带的衰竭上所起的作用；其它过程在加速和减速上的作用；以及新的理论工具和数值模式在数值检验方面的作用等。本文主要讨论了辐射带中粒子的加速度、谐波在粒子加速度中的作用以及波粒相互作用等问题。
1 地球辐射带中粒子的加速度
根据粒子在辐射带中加速度的传统解释，在大尺度地磁场中，波动使粒子呈现放射状扩散，并在移动的过程中获得能量。电子来源于波长L7的等离子区，而被波长L ≈ 1的地球大气吸收。对“内、外”辐射带的观测结果显示，一个波长为L=3的“狭窄”辐射带中，电子由于扩散的时间尺度较短而消失。
大量的研究证实辐射带中存在着放射扩散现象，并且深刻影响着辐射带的结构和动力学特征。但观测事实证明仅用放射扩散不能解释辐射带中所有波长的动力学问题。例如，最近，许多人造卫星同时对辐射带的外边界（ L7）、中心和内边界（L4）观测的结果显示强度的增加始于辐射带的中心，而非边界。而这种现象仅在扩散单独作用时发生。这种观测导致我们必须寻找一种机械装置可以局地加速辐射带中强度最强部分的电子。
全球磁流体动力学模式（MHD）可提供电磁场的结构和波动，可以直接计算总电压和局地电压。MHD模式也可用于模拟粒子的运动轨迹、诱捕粒子和用于辐射带中电子的加速度实验。同样，MHD模式也可用于估计粒子的强度和局地加速度的数据同化技术。
从不同的技术角度集中显示的结果来看，除了射线传播外，在辐射带的最强烈区，其他的机械运动局地加速了电子。
2 谐波在粒子加速度中的作用
从理论和实际观测的结果来看，谐波产生的加速度在辐射带电子局地加速度中起主要角色。
当一个电子向前运动并沿着磁力线旋转时，它可能会频繁遇到电磁波，产生偏振现象。波矢量使电子在它自己恒定的、定向的、静止结构的电子场中穿过。电子可以从波中吸收能量，使粒子加速。这个过程完全依赖于波粒子的局地加速度，因为它们不是依靠辐射穿越磁力线的。
究竟是哪种波使电子产生加速度。观测结果显示，拥有百万伏电压的电子可以和极端低频率（ULF）到较低频率（VLF
VLF谐波被认为是电子加速度产生的主要机制，但不是唯一机制。观测和理论指出谐波有几个重要特征：它们在磁赤道附近生成，从赤道向两半球传播，并且在反射回赤道前被衰减（图2）。结果带有百万伏电压的电子与VLF谐波以相同的方式产生共振，并在每半个反弹过程中获得能量。最新的研究结果间接地证明了这种机制明显存在。例如，Horne et al. [2007]记录了在雷暴恢复时，卫星观测到的在强电子加速度事件发生时的VLF谐波。这些加速度事件发生在辐射带的深层，该区域被认为是辐射传播较慢的区域。
（图2）：谐波以特殊的方式从赤道开始传播。电子从夜半球区域向东注入，直到中午。接近午夜时，谐波开始强烈衰减并暂时停留在赤道附近。当电子开始流动时，它们的分布状态开始改变，使谐波向高纬度传播，并且在它们最终失去能量之前可能会进一步加强[ Bortnik et al.， 2007]。
当等离子云中的电子流从午夜到中午时分指向东时，该特性产生了谐波。更重要的是这种情况会改变这些波的衰减。理论和观测显示，在当地时间黎明时分，谐波会向高纬度地区传播并且振幅有可能增加。依据局地磁场与粒子运动速度矢量的夹角（倾斜角）的不同，辐射带中的电子在不同的纬度会停留不同的时间总量。因而谐波效应会随当地时间而变化。
3 波粒共振产生的效果
局地波-粒相互作用产生的共振改变了电子的倾斜角。而当电子的倾斜角发生改变时，辐射带中的粒子将散射到大气中，这将造成能量衰竭。这种扩散与能量扩散不同，它可以使辐射带的强度增强。
最近，人们投入大量的精力来发展新的理论和用于计算能量、倾斜角和扩散系数的数值方案，这需要量化电子的活跃率和倾斜角的散射。方案将涉及所有波段的常态角和频率，这需要耗费昂贵的计算机时。我们已经使用了简单近似的方法，如仅考虑平行波。但这些近似的方法不能反映所有的物理过程。
人们引进了一种新的技术手段，可以在一定频率和波矢量范围内预先选择限定的几个共振。这种新技术既考虑到了物理精度又兼顾了计算资源。完全用扩散系数的方法来数字化地解决扩散问题还将面临许多困难，因为改变一个变量将面临扩散矩阵的斜向移动问题。我们可以使用随机微分方程来避免方案中有限差别的数字化缺陷。
图3 中能量常量曲线用红色表示。倾斜角和能量共振的情况用绿色区域表示。数轴的方向分别是平行于速度方向和垂直于地磁场方向；速度越高（能量越高）相位空间密度(PSD)越低。图3a 相互共振的电子将沿扩散曲线（蓝色）移动，能量和倾斜角发生改变。图3b 放大图详细反映了共振相互作用的区域和效果。较低的PSDs 出现在损失的锥形区和较高的能量区。在共振区域内，梯度可产生能量和倾斜角扩散，使电子进入损失的锥形区；或者产生加速度，向90°倾斜角移动。共振在辐射带动力学上起重要的作用，它将控制电压和倾斜角扩散。
我们用图3来举例说明能量和倾斜角扩散是如何影响粒子的分布状态的。图形区域平行于速度方向，同时垂直于磁场方向。红色弧线表示能量常量廓线，它是赤道倾斜角(α)的函数。蓝色曲线表示扩散表面，粒子将沿着它转移能量、产生倾斜角并与谐波产生作用。波功率的光谱密度的详细情况和等离子区的情形将决定倾斜角和能量的范围，通过它产生共振，用绿色阴影表示。在共振区，扩散将使粒子由相位空间密度较高的区域向密度较低的区域移动。相位空间密度减少会伴随着能量的减少，同时使倾斜角趋向于与磁场平行。所以，在这张简图中，与大的倾斜角产生共振的谐波将使大倾斜角的电子获得能量，使它们移向地磁赤道，而与之发生作用的波将减小赤道倾斜角（反映在高纬度），驱使电子沿着磁场流向大气。
4 值得探讨的几个问题
4.1 到底是不是谐波在起作用
辐射带动力学观测显示局地波、粒相互作用起主要角色。然而，观测结果还不能十分详细地说明到底是谐波还是别的电磁波在起作用。电磁波也叫磁发电机波，被认为是另一个因素。磁发电机波由等离子区的分布状态产生，等离子区有峰值在10keV~30keV的能量，被认为是“核分布”。像谐波一样，磁发电机波能有效地加速电子，使电子的能量由30千伏上升到几百万伏。
现在的观测手段还不能区别谐波、磁发电机波、或其它共振波的效果。另外，非线性相互作用（如能量和倾斜角散射之间）在波幅大时也被认为非常重要，但肉眼观测的结果还是非常难于理解的。
4.2 对辐射带损耗的理解
当通量增加时，辐射带对人造卫星系统会有更直接的影响。对于辐射带动力学而言，通量损耗事件同样重要。在通量损耗发生时，虽然，有几个过程是可以控制的，但最显著的问题是哪一个是最重要的，而且是在什么环境下发生的。磁大气层顶层决定外部辐射带的外边界。由于等离子区的影响，散射的大气控制了外部辐射带的内部边界。在外部辐射带中，由于进出下沉区域的输送的增加，电子相对通量会出现周期性的减少。此外，电子散射到大气中也是产生损耗的原因之一。
4.3 电磁离子回旋加速波(EMIC)
当增强的电子雨进入大气层时，经常涉及到电磁离子回旋加速波(EMIC)。EMIC波是由于低能暴发生时产生的温度差异造成的（它由地磁暴的强度决定）。或者是由于等离子云中的离子注入辐射带中造成的。EMIC波可造成强的倾斜角散射，迅速地使电子进入损失区。低能量相互作用的界限是由等离子的密度和成分控制的。所以，在高密度等离子区内部产生的EMIC波，对于兆电子伏的电子雨来讲很重要。然而，对于EMIC波的发生、传播、统计学个例和产生的效果现在还知之甚少。
5 辐射带未来研究方向展望
局地波粒相互作用在辐射带动力学方面起重要的作用，并对加速辐射带中的电子起到了主宰作用。那么，局地加速度是如何发生作用的，有哪些波参与，何时发生作用，这些过程和其它过程是如何相互作用的。
要回答这些问题，我们必须开启新的理论和方法。模拟辐射带中的电子与磁气圈中不同波之间复杂的相互作用以及局地波粒相互作用在辐射（作为能量、位置和雷暴状态的函数）传播中的作用正是我们未来研究的一个新方向。美国NASA RBSP（辐射带雷暴探测）任务、加拿大空间局ORBITALS卫星以及日本ERG卫星已经在这方面展开了研究。
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