發現地球輻射帶

編譯 高斯寒

2017年標志著太空時代開啟60周年。1957年10月4日那天，我們星球上的第一顆人造衛星“斯普特尼克1號”（Sputnik 1，其中Sputnik是俄語中表示“同行者”的單詞）由蘇聯發射進入近地軌道。盡管它比一個無線電信標好不到哪兒去，它仍然向全世界展示：處于冷戰軍火庫核心的洲際彈道導彈還能把衛星送入太空。僅僅一個月后，在11月3日，蘇聯科學家發射了一個大得多、也更加復雜的航天器——斯普特尼克2號，它是人類送進太空軌道的第二顆衛星，也是第一顆搭載了活體動物的人造衛星；圖1中拍攝的是一個衛星模型，由一個玩偶充當動物的替身。衛星發射的時間是故意這么安排的，為了剛好碰上十月革命40周年紀念的前夕；蘇聯領導人喜愛用“勞動”成果來慶祝節日。

除了斯普特尼克2號上的生物學實驗，蘇聯科學家在莫斯科國立大學的謝爾蓋·韋爾諾夫（Sergei Vernov）領導下，將一根蓋革-繆勒管放在衛星上，測量衛星遭遇的輻射程度。在二戰之前的許多年里，韋爾諾夫已經用建在地面上和由氣球攜帶的儀器來研究宇宙射線。所以對于他來說，他自然想要搶在粒子與地球大氣層發生相互作用之前測量這些來自星系深處的原始宇宙射線粒子。

按照正式的說法，斯普特尼克衛星是在1957—1958年的國際地球物理年（IGY）框架內發射的。就算是這樣，美國還是被蘇聯的成就震驚到了。兩顆蘇聯衛星接連發射之后，美國陸軍彈道導彈署被告知，要用木星C火箭將一顆美國衛星發射上天。木星C火箭是在美國陸軍紅石軍械廠的沃納·馮·布勞恩（Wernher von Braun）指導下誕生的。噴氣推進實驗室的威廉·皮克林（William Pickering）率領下屬，努力地設計、建造和操控了衛星——14公斤重、魚雷外形的“探險者1號”衛星。詹姆斯·范艾倫（James Van Allen）和他在艾奧瓦大學的研究團隊設計、制造和測試了衛星上安裝的輻射探測器。1958年1月31日，也就是斯普特尼克2號衛星發射升空后的不到3個月，探險者1號衛星進入了環地球軌道。

圖1 斯普特尼克2號是一個4米高、圓錐形的密封艙，1957年11月3日，由火箭將它發射進入軌道，按照設計意圖，它會始終與火箭連接在一起。衛星上有無線電發射器、遙測系統、蓋革計數器和用于內艙的溫度控制系統，內艙里攜帶著小狗萊卡。本圖中展示的模型目前陳列于位于莫斯科的理工科學博物館

像韋爾諾夫的團隊一樣，范艾倫研究團隊也在探險者1號衛星上安裝了蓋革-繆勒管。像韋爾諾夫一樣，范艾倫也在第一批美國衛星的籌劃和發射之前的許多年里，在火箭和氣球的助力下研究宇宙輻射。那些先驅獲得的第一批測量數據經過分析之后，確實顯現出重大意義。沒人預測過地球輻射帶的存在，而地球輻射帶就是被地球磁場俘獲的高能粒子構成的嵌套環面。輻射帶的發現預示了一門嶄新學科——空間物理學——的誕生。然而，這條發現之路困難重重，充滿戲劇性。

解讀的難題

當韋爾諾夫與同事第一次看見斯普特尼克2號衛星上獲得的數據時，他們注意到蓋革-繆勒管的計數率出現大幅度的波動。他們知道太陽最近放射出小型耀斑，于是錯誤地理解波動，認為它們是由于太陽高能粒子的抵達而產生的。事實上，斯普特尼克2號衛星對地球磁場所穿過的區域進行了取樣，那些波動是輻射帶存在的證據。問題在于，當航天器的彈道將它帶離蘇聯國境時，蘇聯科學家無法獲取衛星數據。蘇聯科學中存在的全面保密性質使得它不可能與其他那些在地面接收站拾取到衛星傳送信號的國家進行協商。澳大利亞科學家就在斯普特尼克2號衛星在遠地點掠過澳大利亞上空時記錄了衛星的數據，并要求獲得密碼，以便破譯那些數據。蘇聯人拒絕了。當蘇聯人要求從澳大利亞人手上獲得數據時，澳大利亞人也拒絕了。蘇聯科學研究就是這樣受到“保密”的妨礙。

范艾倫與他的團隊比韋爾諾夫和他的同事們更快地意識到，他們從探險者1號衛星上見到的東西是一種全新的自然現象。然而，早些時候，就連范艾倫也誤解了數據。在探險者1號衛星上升進入太空的頭幾分鐘內，衛星上的蓋革-繆勒管計數器的表現是能夠理解的。但是，隨后的數據讓人困惑：有些階段的計數率與宇宙射線的預期值相吻合，其他階段的計數率遠遠更高，然而在其他時候，計數率跌到了零。信號的頻繁遺失（以如今的標準來看，那時衛星的電力傳送很弱）和計算衛星軌道的困難使得對那些數據的理解進一步復雜化。范艾倫最初以為他們探測到的是導致極光產生的低能粒子。

為何宇宙射線計數率會如此突然地下降，當團隊對此迷惑不解時，研究生卡爾·麥基爾韋恩（Carl McIlwain）指出，粒子通量也許在某些地方是如此之高，以至于使得蓋革-繆勒管進入飽和狀態，這樣它就無法區分不連續的脈沖，會徹底停止計數。結果證明，這一領悟是關鍵所在，麥基爾韋恩在實驗室里將一根蓋革-繆勒管原型暴露在強烈的X光源面前，確證了這種可能性。他和同事厄尼·雷（Ernie Ray）看見暴露實驗的結果后，雷在范艾倫的房門上留下了這句如今成為名言的話——“太空是放射性的”。

圖2 詹姆斯·范艾倫（1914—2006；中間身著深色西服者）被他的團隊成員圍攏，其中包括研究生卡爾·麥基爾韋恩（左一）與喬治·路德維格（右二），以及助理教授厄尼·雷（右一）。他們正在查看該研究團隊在探險者1號衛星上安裝的蓋革-繆勒管所探測到的粒子通量數據

當然，美國和蘇聯的研究人員都不相信太空是放射性的；這句話捕捉到了他們的興奮和堅信，他們相信儀器工作正常。從探險者1號和探險者3號衛星（這顆衛星的發射是在研究人員于1958年4月做出開創性的分析之前）上獲得的數據唯一可能的解釋就是，衛星在某些軌道上遭遇到極高的粒子通量——這些通量起碼是預計從宇宙射線獲得的計數率的1 000倍。該年5月，范艾倫在美國地球物理聯盟的一次會議上宣布了這一發現。

內側與外側

美國宣布這一發現的同一個月里，蘇聯科學家發射了斯普特尼克3號衛星。衛星有效載荷中包括了大型復雜的科學儀器，這些儀器允許蘇聯人以更多的空間細節來研究被俘獲在地球磁場的粒子的性質。它也讓蘇聯人能夠探測與內側高強度輻射區域相分離的外側輻射區的存在與否。直到后來，事情才變得清楚，原來這個缺口——或者以今日的用語，就是“槽區”——是一片沒有被俘獲粒子的區域，它將兩條迥然不同的輻射帶相分離：內側輻射帶被高能質子（通常有幾十MeV或者更高能量）支配，外側輻射帶主要由具能電子（通常為1～10 MeV）組成，每一種荷電粒子都經由地球的磁層內的不同物理過程而在本地受到加速。

在空間物理學家之中，許多年后出現了一個圈內笑話：為什么美國科學家發現了內側輻射帶，而蘇聯科學家發現了外側輻射帶？原因完全可以理解。事情不可能翻轉過來：在冷戰時期，存在著一片非軍事區，將美國人的內側區域和蘇聯人的外側區域分隔開！

實際上，因為斯普特尼克2號衛星是從俄羅斯境內的高緯度地區發射的，它的軌道很可能經過部分外側輻射帶，外側輻射帶所處的高度差不多介于地球半徑的3到10倍之間；探險者衛星發射進入的軌道更靠近赤道，會經過高度較低的內側輻射帶的部分區域，內側輻射帶從地球大氣層上方向外延伸至大約為2.5倍地球半徑的地方。

正確地解釋了探險者和斯普特尼克衛星上獲得的數據后，科學家琢磨起輻射帶的起源。很明顯，宇宙射線本身具有太大的動量，不可能被俘獲。蘇聯科學家韋爾諾夫和莫斯科國立大學的亞歷山大·列別金斯基（Alexander Lebedinsky）提出，當宇宙射線轟擊地球大氣層時，它們可能發生能生成中子的核反應，那些中子隨后衰變成電子和質子，接著被地球的磁場俘獲。這種想法是第一種能解釋輻射帶性質的物理模型。韋爾諾夫與列別金斯基在1958年7月公布了中子衰變機制，那僅僅是在輻射帶被人發現的數月之后。兩星期之后，美國科學家弗雷德·辛格（Fred Singer）獨立發布了一種相似機制的描述。

研究者隨后意識到，盡管中子衰變機制能夠解釋由穩定俘獲的質子構成的內側范艾倫輻射帶，被俘獲的電子構成的外側輻射帶在徑向范圍、總體強度和能量范圍上要反復無常得多。外側輻射帶的那些性質得看太陽風多么強勁地連續猛擊磁層，從而迫使電子加速和遷移。理解外側輻射帶的電子加速、遷移和損失變成了20世紀60年代和70年代輻射帶研究的主要目標。

太空原子彈

甚至在20世紀50年代后期，在大家知道輻射帶自然存在之前，位于加州的原子能委員會下屬利佛摩實驗室的研究人員推測，地球磁場可以限制高能電子的巨大通量。由尼古拉斯·克里斯托菲洛斯（Nicholas Christofilos）領導的研究人員暗示，假如那是真的，那么也許能建立起一道防御屏障，防范洲際彈道導彈的攻擊。利佛摩實驗室的研究者提出，在高海拔地區引爆核武器，挾帶走地球周圍廣袤云團中核裂變產生的電子。他們想象到，這種高強度輻射會讓任何可能在發射后穿過那些云團的導彈失效。

范艾倫與他的研究團隊幾乎立即被吸引進入保密的太空核爆領域。大約在1958年5月，在美國的一系列低當量、高空核試驗之后，他和同事嘗試把自然輻射帶粒子與人類引發的粒子群理清。在1962年7月，美國的一顆威力極其強大——相當于140萬噸TNT的當量——戰略性布置、代號為“海星至尊”的核武器在南太平洋的約翰斯頓島上空大約400千米處引爆。那次核爆以及3個月后蘇聯在地球大氣層外進行的3次相似規模的核試驗大大改變了內側范艾倫輻射帶，在地磁場線上放置了高能電子，而且那些電子會在那兒待上好幾年。那些電子使得輻射帶對于衛星來說，強度和不利性增強了至少100萬倍。在1962年下半年到1963年初的時間段里，起碼有十來枚科學衛星被強大的人造輻射損壞。有意思的是，在范艾倫發現輻射帶后的一段時間里，美國科學家還討論輻射帶是否有可能是早些時候蘇聯核爆的結果。

將探險者1號衛星模型舉過頭頂。皮克林、范艾倫與馮·布勞恩（從左至右）在1958年1月31日于美國國家科學院舉行的新聞發布會上，慶祝衛星的成功發射

顯然，近地太空的生態有好些年都被20世紀60年代的軍事活動改變了。然而，那些軍事活動也充當了基礎科學的實驗檢驗，幫助科學家檢查他們的輻射俘獲模型。人造核爆也確證了這個想法——地球磁場內部的新粒子的注入可以在地球周圍產生穩定的已俘獲粒子通量。

如今，我們知道除了宇宙射線，還有好幾種重要的物質來源構成了輻射帶。其中包括穿透磁層的太陽漿體（solar plasma，或譯為“太陽等離子體”“太陽電漿”）以及在磁暴時被注入俘獲區的電離層粒子。其他一些更加奇異的來源包括在外太陽系產生的所謂的“反常宇宙射線”。還有從木星磁層逃脫出來，沿著行星際磁場線，朝著地球而來的行星際物質粒子。

在范艾倫與同事在美國所做的開拓性工作以及蘇聯科學家在蘇聯進行的研究工作之后，利用太空造福社會的興趣越來越濃郁。從20世紀50年代晚期到60年代初的僅僅數年內，太空硬件從技術驗證和科學好奇發展到實用的常規應用。人造地球衛星被發射后用于通訊、氣候觀測、地理定位、地球遙感、軍事偵察和數不勝數的其他用途。我們的星球事實上被各種航天器包圍著，這些航天器繞著地球周轉，軌道高低不一，最低的就在可感知大氣層之上，最高的在地球表面的幾萬公里之上。因為對那些衛星來說，輻射帶構成了最主要的空間天氣威脅，必須要弄懂輻射帶的詳細行為。過去的60年里，差不多每個太空衛星都進行了輻射帶測量，實際上所有實施過太空任務的國家都進行過輻射帶測量。

從20世紀70年代后期直至90年代，諸如“綜合釋放與輻射效應衛星”和NASA的“太陽反常現象及磁層粒子探測器”的航天器發現了令人入迷的多個實例，包括快粒子加速、大量粒子突然從輻射帶消失、太陽引起的沖擊波撞擊到地球磁層而產生的高能事件（大于10 MeV）。到21世紀初，情況變得清晰，需要有新穎、先進的衛星任務來解開那些現象（以及其他現象）帶來的謎團。

近期的任務

2012年，NASA發射了兩臺“輻射帶風暴探測器”。這些探測器后來被重新命名為“范艾倫探測器”，這兩臺航天器的設計目的是為了探索輻射環境的空間結構和動態特征。幾乎就在發射之后，衛星上的儀器發現了一種全新的現象：第3種截然不同的高能粒子群的存在——實質上，就是第3條輻射帶。最近發現的超相對論性電子區域已經激起了觀測者和理論物理學家的興趣。20世紀70年代的航天任務中，蘇聯衛星和其他衛星已經在兩條主要輻射帶之間的槽區探測到相對論性電子，但范艾倫探測器第一次提供了完整詳細的空間圖形。這兩個在磁暴時飛行于槽區的衛星所發現的動態特征已經揭示了高能粒子是如何加速和突然從輻射帶消失的。

范艾倫探測器開始收集數據的兩年后，俄羅斯發射了一顆名叫“韋爾諾夫”的衛星，這顆衛星現在也在研究第3條輻射帶，已經闡明這一現象的一些細節。俄羅斯、美國和其他國家近期發射的航天器甚至已經發現地球輻射帶的更多特征，譬如有一條十分明顯的屏障阻擋了荷電粒子從外側輻射帶到內側輻射帶的運動，極高能質子群的變化以及調節輻射帶粒子流動的電場的存在。

在2016年的4和12月，兩顆新衛星——日本的Arase衛星和俄羅斯的羅蒙諾索夫衛星——發射升空，繼續太空環境研究。羅蒙諾索夫衛星以莫斯科國立大學的創建者米哈伊爾·羅蒙諾索夫的姓來命名，是莫斯科國立大學的科學家們啟動和發射的一系列衛星的最新一顆，而這系列衛星的起始點就是韋爾諾夫在斯普特尼克2號衛星上的研究工作。近期看來，莫斯科國立大學（或者十多家其他研究所和太空探索機構）對這些研究的興趣和參與不太可能會衰退。在我們的太陽系內的每一顆磁化行星周圍都已經發現了輻射帶特征。