作業

[拼音]：diqiu fushedai

[英文]：radiation belts of the Earth

在地球周圍空間，存在由地磁場捕獲的大量帶電粒子的區域。輻射帶呈環狀分佈（圖1），環的橫截面輪廓呈月牙形，大體與地磁場磁力線重合，外邊緣距地心約10個地球半徑。輻射帶粒子主要是質子和電子。粒子能量分佈於 104～108電子伏之間。輻射帶按其成分、位置、能量、成因可大致劃分為內質子帶、外質子帶、電子帶和人工輻射帶。

輻射帶因其粒子被地磁場捕獲，又稱捕獲輻射帶，簡稱捕獲帶；以其發現者的名字命名，又稱範愛倫輻射帶，或範愛倫帶。

研究簡史

20世紀初，F.C.M.史篤默用帶電粒子在偶極磁場中運動的理論證明，在地球周圍存在一個史篤默捕獲區。凡在其中運動的帶電粒子都不能離開此區域，外來帶電粒子也都不能進入此區域。對能量不同、方向不同的粒子，史篤默捕獲區的位置不同。對於能造成磁暴電流環的粒子，史篤默捕獲區大都在後來發現的輻射帶內。但當時沒有足夠理由說明外來粒子能夠進入捕獲區，因此，並沒有得出有被捕獲的帶電粒子在地球周圍存在的結論。

1956年，辛格(S.F.Singer)為克服S.查普曼的磁暴環電流不穩定的困難，根據史篤默和H.阿爾文的粒子運動理論提出一種說法，認為磁暴主相電流環是被捕獲在史篤默捕獲區內的帶電粒子漂移運動的結果。這是首次預言輻射帶的存在。

1958年，J.A.範愛倫用美國“探險者”1號衛星上的蓋革計數器，首次直接探測到地球周圍存在通量很強的高能帶電粒子，並判定這些粒子是被捕獲的，於是實際上發現了輻射帶。這是人造衛星上天以後的第一個重大發現。

早期（60年代初）探測使用的主要儀器是蓋革計數器，它只能測到能量較高的粒子，因此早期的輻射帶概念也就偏重強調能量較高的粒子，尤其是質子，能量多在3×107電子伏以上。60年代後期，靜電分析器開始用於空間低能粒子探測，發現在外輻射帶區域中存在大量能量較低的捕獲質子（能量大於 104電子伏）。正是這些質子造成磁暴主相環電流，70年代初的探測重點便轉向了這些輻射帶的低能粒子及其與磁暴、磁層亞暴的關係等動力學問題。70年代以後的研究目標，開始集中於探索輻射帶成因及變化的動力學規律，建立定量模式。

帶電粒子在地磁場中的運動

決定輻射帶結構的主要因素是帶電粒子在地磁場中的運動形式。輻射帶中粒子濃度極其稀薄，粒子間極少碰撞，粒子在地磁場中的運動可以看作自由運動。在某些區域或某種程度上，粒子運動會反過來改變地磁場。粒子之間也可以通過等離子體波動而相互作用。前一種情況可以視為粒子在受擾動的地磁場中的運動。後一種情況可以視為等離子體波對粒子在地磁場中自由運動的擾動。此處主要介紹粒子在地磁場中的運動。

地磁場近似為偶極磁場，被捕獲的帶電粒子在偶極磁場中的運動如圖2。

運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用繞磁力線做迴旋運動，磁矩

，

式中m、v分別為粒子的質量、速度；α 為粒子速度方向與磁力線的夾角，稱為投擲角或投射角；

B

為地磁場強度。只要粒子迴旋一週所遇到的地磁場變化不大（通常都如此），粒子磁矩就近似守恆。這意味著，粒子所在位置的磁場增強時，或是投擲角會變大，或是垂直動能會增加。這種變化是可逆的，稱為寢漸變化。

如果粒子在圍繞磁力線迴旋時投擲角不等於90°，則在迴旋的同時將沿磁力線運動。當它沿磁力線離開赤道面時投擲角變大，當投擲角增大到90°時，它不能再繼續沿磁力線向前，而是被磁場反射回來。這種磁場結構稱為磁鏡，反射點稱為磁鏡點。粒子的磁鏡點由它在赤道面時的投擲角決定。赤道投擲角越小，磁鏡點離兩極（或說離地面）越近，粒子越深入大氣層。深入到一定深度的粒子，將由於和大氣分子的碰撞而損失掉。與此相對應的赤道投擲角，形成一個以磁場方向為軸的錐面，稱為損失錐。投擲角落於損失錐之內的粒子都會損失掉。投擲角在損失錐之外的粒子，將在南北兩個磁鏡點之間來回反射，這種週期運動稱為彈跳運動。

如果粒子迴旋半徑很小，則迴旋運動和彈跳運動使粒子被束縛在磁力線上。但由於偶極場的非均勻性，這種束縛只是相對的。粒子在彈跳的同時會緩慢地從一條磁力線移向鄰近的磁力線，稱之為漂移。漂移的方向垂直於子午面，電子向東，質子向西。粒子的運動全貌可以看成是在圖2的月牙形運動內迴旋、彈跳，同時，此月牙形平面也繞偶極軸旋轉。其中的中心磁力線經這樣旋轉構成一個封閉曲面，稱為漂移殼（也稱磁殼）。漂移殼可以用其在赤道面的截點到地心的距離來度量，此距離與地球半徑比值記為L，稱為磁殼參量。

上面關於帶電粒子在偶極場中運動的描述，是阿爾文在40年代提出的，稱為引導中心理論。只要粒子能量沒有大得使其迴旋半徑可與它到偶極中心的距離相比，引導中心理論就成立，即粒子運動可以表述成迴旋、彈跳和漂移的疊加，粒子軌道不能離開漂移殼，也就是說粒子被磁場捕獲了。這3種運動都是週期運動，其週期視不同地點、不同能量、不同方向的粒子而不同。在輻射帶中，質子迴旋運動週期為1毫秒到1秒;電子為1微秒到1毫秒。彈跳運動週期為數百毫秒到數十秒，同能量的電子較質子週期短。同能量的電子和質子的漂移運動週期幾乎相同，外帶低能粒子約為10～20小時，內帶高能粒子約為1分鐘。

實際地磁場並不是真正的偶極場，上述的運動只是近似影象。在輻射帶的外部區域，太陽風使地磁場變形，嚴重偏離偶極場。靠外部的一些漂移殼將和磁層頂或磁尾等離子體片相交。這些漂移殼上的粒子將從輻射帶逃逸出去，這一區域稱為準捕獲區。在準捕獲區之外，漂移概念失效，完全沒有漂移殼，粒子不被捕獲。在準捕獲區之內的區域，粒子被穩定捕獲，稱為捕獲區。和史篤默捕獲區概念不同，這種捕獲區是由磁場結構非偶極特性決定的。

捕獲區邊界以4×104電子伏的電子被捕獲來定義。捕獲區邊界就是輻射帶的外邊界。

輻射帶結構、變化和成因

通常把輻射帶按磁殼參量L<2和L>2劃分為內、外兩帶。對質子，這種劃分是有根本意義的，對電子則並不重要。

輻射帶發現的早期，認為內帶主要成分是質子，外帶主要成分是電子。這是把輻射帶劃分為內、外帶的依據。後來發現，外帶也有質子，但和內帶質子的來源、能譜截然不同。同樣，內、外帶都有電子，而其來源和分佈則沒有明顯的不同。現在採用內輻射帶和外輻射帶的名稱時，主要是針對質子而言，因此常稱為內質子帶和外質子帶。對電子，一般並不強調分內外帶。如果用內外帶名稱來討論電子，那也多半是為了描述方便而取的一種人為的地域劃分。

內質子帶

這是輻射帶中最先發現的，其下界高度隨經緯度而變，平均約600公里；上界大約為從緯度45°的地面發出的磁力線(L=2)。

內質子帶是由能量高於106電子伏的質子組成的。其中心位置、能譜和強度見表。內質子帶是相當穩定的，特別是其內側，強度幾乎不受地磁活動影響。

內質子帶來源於反照中子的β衰變。宇宙射線進入地球大氣層，撞擊大氣原子核，發生的核反應的產物中有能量大於106電子伏的中子，這些中子可以徑直向地球外逸出，稱為反照中子。在向外逸出過程中發生β衰變。衰變產物中的質子被地磁場捕獲，這是內質子帶的來源。

被捕獲的高能質子會由於和中性大氣分子碰撞消耗能量而最終損失掉（被大氣吸收）。這種損失機制也是很弱的。內帶質子的壽命可長達數年。內質子帶的分佈是由產生、擴散和消失這幾種微弱因素的長期平衡形成的，所以在短時期內相當穩定。

外質子帶

又稱環電流帶，是輻射帶中發現最晚的區域。它由能量為104～106電子伏的質子組成，分佈於內輻射帶之外直至整個捕獲區。在背陽面上甚至和磁尾等離子體片連成一體。其中心位置（能量密度最大）約在L=3.5處，此處能量密度約為10-7爾格／釐米3。外質子帶的外側以能量在5×104電子伏以下的低能成分居多；越向內，高能成分比例越大。在平靜時期，外質子帶的中心地區以能量高於105電子伏的質子為主要成分。

外質子帶最重要的特點是它攜帶的能量大。雖然它的組成粒子的能量較內輻射帶粒子能量低得多，但其粒子數較內輻射帶高得多，因此能量密度較內輻射帶高几個量級，比處於同一空間區域中的電子帶也高一個量級以上。在磁層所有各類等離子體中（環電流帶，等離子體片，等離子體幔，等離子體層），環電流帶是能量最大的，在部分割槽域中它的能量密度超過當地的地磁場能量密度。在這些區域中不是磁場約束粒子，而是粒子運動通過產生環電流而改變磁場，從而引起地磁場擾動。

外質子帶的第二個特點是它經常受擾，變化很大。環電流帶的變化是磁層暴的一個主要表現方面(見磁暴)。

磁層暴時從磁尾進入磁層的質子是外質子帶的源，而這些磁尾粒子又是來自於太陽風的。這和內質子帶的來源完全不同。

外質子帶的損失過程也和內質子帶不同。磁層波對粒子的擴散作用是外帶質子損失的主要原因。外帶質子會在等離子體層內激發出質子迴旋波。質子迴旋波反過來又使質子的投擲角擴散到損失錐中，從而使質子消失於大氣層。磁暴主相時，外帶質子深入等離子體層，並且通量很大，這種效應特別強。在恢復相的後期，這種損失機制減弱，讓位於電荷交換反應：一個高能質子和一個低能中性分子碰撞，把電荷交給低能中性分子，變成一個高能中性分子和一個低能帶電粒子，高能中性分子則逃離捕獲區。在恢復相後期，電荷交換反應是主要的損失機制。

電子帶

能量大於4×104電子伏的電子分佈於整個捕獲區，強度為106～108釐米-2·秒-1。越向內，能譜越趨於變硬，即高能成分比例增大。平靜時期，在 L=2.5左右處有一個電子密度較低的區域，把電子分佈分割成內外兩個峰。但這兩個峰都是電子由外(等離子體片)向內擴散形成的，不像質子帶那樣形成兩個來源和能譜截然不同的帶。當磁暴時由於擴散條件的改變，兩個峰之間的谷被填充，兩個峰的結構就消失了。

電子帶的特點是十分不穩定，對地磁場變化的反應十分靈敏。尤其是外帶電子，磁暴前後的強度常相差一兩個量級；在內帶區域也能看到磁暴對電子濃度的影響。等離子體片注入和擴散進來的電子是輻射帶電子的主要來源。內帶中，反照中子的β衰變產生的電子也提供一部分來源。

輻射帶電子強度增加到一定程度之後，會激發起甚低頻波動，從而導致投擲角擴散而損失。這是很強的損失機制，在L>1.5，電子損失限制了輻射帶電子濃度的增加，並決定了電子壽命。在L>4，壽命約10天；在L<2，壽命約2年。在L<1.5，損失原因主要是同大氣分子碰撞。越向下，壽命越短。

人工輻射帶

輻射帶發現之初，1958～1962年美國和蘇聯相繼進行了 9次高空核爆炸。每次核爆炸都在爆炸點附近的漂移殼上產生大量衰變產物，主要是電子，其濃度大都超過天然電子。這些人工電子和天然電子一樣，被地磁場捕獲，生成一些區域性高強度帶，稱為人工輻射帶。人工輻射帶徑向寬度較窄，全部分佈在內輻射帶區域中，這恰是電子壽命最長的區域，1958～1962年的高空核爆炸形成的人工輻射帶維持了幾年，直到1966年才逐漸消失。

人工輻射帶生成時期正值人們發現和認識輻射帶的初期，它對研究輻射帶粒子運動和消失規律起了很大作用，在60年代和70年代初曾引起過極大的興趣和注意。