地球輻射帶

中文名稱：地球輻射帶

英文名稱：earth radiation belt

定義：由地球磁場俘獲環繞地球周圍空間的高能帶電粒子而形成的位於地球磁層中的遠近或內外兩個輻射區域。

所屬學科：大氣科學（一級學科）；大氣物理學（二級學科）

地球輻射帶分為內外兩個帶，它們在向陽面和背陽面各有一個區，內輻射帶是離地面較近，而外輻射帶離地面較遠。內輻射帶的中心位置到地心的距離約1.5個地球半徑，外輻射帶的中心離開地心距約在3－4個地球半徑。向陽面和背陽面的內外輻射帶的粒子環境在空間上並不是完全對稱的。內輻射帶簡稱內帶，內帶中含有大量的高能質子和電子，在無太陽質子事件並且地磁擾動不大的情況下，內輻射帶中高能質子和電子的空間分佈和強度相當穩定，稱之為穩定的內輻射帶。它並不是永遠不變的，還受地磁場長期變化的影響，而使輻射帶的空間分佈和強度的發生變化，空間分佈的長期變化與南大西洋負磁異常區的變化趨勢基本一致，強度的變化則要進行大量的探測。內帶中對衛星和宇航員的威脅主要來自高能的質子。外輻射帶對衛星和宇航員的威脅主要來自高能的電子。

影響地球輻射帶空間分佈和強度的主要因素有：太陽活動的水平、地磁長期變化、地磁短期變化（磁暴）、太陽宇宙線事件。

地磁場俘獲的帶電粒子帶。輻射帶內的帶電粒子是太陽風、宇宙線與地球高層大氣相互作用而產生的高能粒子。它們在地磁場的作用下，沿磁力線作螺旋運動並不斷輻射出電磁波。1905年，斯托米根據極光觀測曾經預言過它的存在。1958年，范愛倫分析人造地球衛星探測器的資料，於1959年證實它的存在，因此也稱作范愛倫帶。地球輻射帶在地球磁層內，但只存在於一定磁緯地區的上空，而不存在於南北磁極和高磁緯地區的上空。

輻射帶分為：①內輻射帶：高度在1～2個地球半徑之間，範圍限於磁緯度±40°之間，東西半球不對稱。西半球起始高度比東半球低，最高處可在9,000公里處開始。兩半球都向赤道方面凸出。帶內含有能量為50兆電子伏的質子和能量大於30兆電子伏的電子。②外輻射帶：高度在3～4個地球半徑之間，起始高度為13,000～19,000公里，厚約6,000公里，範圍可延伸到磁緯度50°～60°。外帶比較稀薄。外帶內的帶電粒子的能量比內帶小，但遠遠超過外大氣層中粒子的熱運動能。被俘獲的帶電粒子實際上分佈於整個地磁場，所以輻射帶的界限並不分明，只是帶內帶電粒子的密度比其他區域大。輻射帶中，內帶的帶電粒子數是相對穩定的，外帶則變化較大，差別可達到100倍。一般來講，在內帶里容易測到高能質子，在外帶里容易測到高能電子。輻射帶的範圍和形狀受地磁場的制約，也和太陽活動有關，在朝太陽的方向被太陽風所壓縮。輻射帶中的帶電粒子數也同地磁場和太陽活動的變化有關。早在20世紀初，就有人提出太陽在不停地發出帶電粒子，這些粒子被地球磁場俘獲，束縛在離地表一定距離的高空形成一條帶電粒子帶。50年代末60年代初，美國科學家范艾倫根據“探險者”1號、3號、4號的觀測資料證實了這條輻射帶的存在，確定了它的結構和範圍，並發現其外面還有另一條帶電粒子帶，於是離地面較近的輻射帶稱為內輻射帶，離地面較遠的稱為外輻射帶，因是范艾倫最先發現的，故又稱為內范艾倫帶和外范艾倫帶。

這兩條地球輻射帶對稱於地球赤道排列，且只存在於低磁緯地區上空。內輻射帶的中心約在1.5個地球半徑，範圍限於磁緯±40°之間，東西半球不對稱，西半球起始高度低於東半球，帶內含有能量為50兆電子伏的質子和能量大於30兆電子伏的電子。外輻射帶位於地面上空約2～3個地球半徑處，厚約6000公里，範圍可延伸到磁緯50°～60°處，其中的帶電粒子能量比內帶小。一般說來，在內輻射帶里容易測得高能質子，在外輻射帶里容易測得高能電子。地球輻射帶是空間探測時代的第一項重大天文發現。1992年2月初，美國和俄羅斯的空間科學家宣布，他們發現了地球的第三條輻射帶。新輻射帶位於內外范艾倫帶當中的位置，是由所謂的反常宇宙線——大部分是丟失一個電子的氧離子構成的。

20世紀初有人提出太陽在不停地發出帶電粒子，這些粒子被地球磁場俘獲，在地球上空形成一個帶電粒子帶。50年代末60年代初，美國科學家范·艾倫（James Alfred Van Allen）根據宇宙探測器探險者1號、3號和4號的觀測，證明了帶電粒子帶的存在。地球輻射帶分為兩層，形狀有點像是砸開成兩半的核桃殼。離地球較近的輻射帶稱為內輻射帶，較遠的稱為外輻射帶，也分別稱為內、外范·艾倫帶。輻射帶從四面把地球包圍了起來，而在兩極處留下了空隙，也就是說，地球的南極和北極上空不存在輻射帶。最近兩年有消息說，美國和俄羅斯的天文學家在內外輻射帶之間又發現了第三條輻射帶。過去人們一直認為地球磁場和一根大磁棒的磁場一樣，磁力線對稱分佈，逐漸消失在星際空間。人造衛星的探測結果糾正了人們的錯誤認識，繪出了全新的地球磁場圖象：當太陽風到達地球附近空間時，太陽風與地球的偶極磁場發生作用，把地球磁場壓縮在一個固定的區域里，這個區域就叫磁層。磁層像一個頭朝太陽的蛋形物，它的外殼叫做磁層頂。地球的磁力線被壓在"殼"內。在背著太陽的一面，殼拉長，尾端呈開放狀，磁力線像小姑娘的長發，"飄散"到二百萬千米以外。磁層好像一道防護林，保護著地球上的生物免受太陽風的襲擊。地球的磁層是個非常複雜的問題，其中許多物理機制需要進一步的研究和探討。最近十年，科學家已經把磁層的概念擴展到其它的一些行星，甚至發現宇宙中的中子星、活動星系核電具有磁層結構的特徵。

美國著名天文學家、地球物理學家J.A. 范艾倫，1914年9月7日出生於艾奧瓦州的一位律師家庭。1936年獲愛奧瓦大學理科碩士學位，1939年獲博士學位。1951年任艾奧瓦大學物理系主任。

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