原标题:NASA成立后发射的第一个探测器,证实了范艾伦辐射带的存在

根据美国宇航局的最新计划,其范艾伦探测器(Van Allen
Probes)——两艘用来研究环绕地球的范艾伦辐射带的自动控制太空船将进入地球大气层,将在15年后毁灭。

一项新的研究分析了NASA的双卫星范艾伦探测器(Van Allen
Probes)得到的数据,结果发现在2012年的9月初,地球周围曾形成过一个辐射环,持续长达4个多星期,直到被一股来自太阳的强力行星际冲击波破坏殆尽。2月28日,这一结果在线发表在《自然》杂志网站上。

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范艾伦辐射带是地球周围由高能粒子组成的两条带状区域,由美国科学家詹姆斯·范艾伦在1958年发现,其内带位于地球上空650千米至6300千米,外带位于地球上空10000至65000千米。范艾伦带内的高能粒子对载人航天器和人造卫星等都有一定危害,其内外层之间的缝隙则是辐射较少的安全地带。

NASA成立后的第10天,1958年10月11日,先驱者1号发射升空。

为了防止这两艘航天器成为航行危险,设计并建造这些航天器的约翰斯⋅霍普金斯应用物理实验室的研究人员于2月份通过一系列推进器演习,将它们置于轨道上。该探测器将于2034年左右毁灭。

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科学家此前以为,地球周围的范艾伦带只分成内外两层辐射带。

先驱者1号,源自美国陆军的项目,它是NASA成立后发射的第一个探测器,于1958年10月11日发射升空。先驱者1号原计划进入月球轨道,拍摄月球表面。

2012年8月23日,探测器从佛罗里达的卡纳维尔角空军基地发射升空,其原名为辐射带风暴探测器(Radiation
Belt Storm
Probes)。最初的任务是花两年时间研究著名的范艾伦辐射带。环绕地球,保护我们免受宇宙辐射。然而,近七年之后,无人卫星仍然很强大,任务控制中心必须安排对其进行必要的轨道修正。

范艾伦带中的高能粒子,主要来源于被地球磁场俘获的太阳风粒子。这些带电粒子在范艾伦带的转折点之间往复运动。当太阳发生磁暴时,地球磁层受扰动变形,被囚禁在范艾伦带中的高能粒子大量泄出,并随磁力线闯入地球极区的大气层,激发空气分子,便会产生美丽的极光。

先驱者1号的科学目标是在地球附近和月球轨道,研究电离辐射,宇宙射线,磁场和微陨石,但由于机械故障导致未能达到进入月球轨道所需的逃逸速度,它达到的峰值高度为115400千米。

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NASA在2012年8月30日发射了双卫星范艾伦探测器,配备了保护性镀层和耐用电子元件,可在范艾伦带恶劣的空间气候中开展探测活动,其目的是对这些辐射带区域进行测量及特征描述。

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范艾伦辐射带1958年被美国的第一颗人造卫星“探险者1号”(EXPLORER-I)首次探测到,并以发现者物理学家詹姆斯⋅范艾伦的名字命名,这两条辐射带是由太阳与地球磁场的相互作用产生的。当发生这种情况时,带电的质子和电子像磁铁周围的铁屑一样被捕获在磁场中,形成致命辐射区域。

美国科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理研究室的丹尼尔·贝克(Daniel
Baker)及其同事,对来自该探测器的数据进行的一项新的分析显示:2012年9月2日,超高能量电子组成了第三层辐射带,并持续了4个多星期。这个意想不到的结构最终被一股强劲的太阳风吹散。这些发现说明,范艾伦辐射带存在极大的可变性,能够帮助我们了解太阳活动对范艾伦带的影响。

先驱者1号升空43小时候后重入大气层,坠入南太平洋,在这43小时里,它传回了近地空间环境的数据,证实了范艾伦辐射带(Van
Allen belt)的存在。

这些磁场保护地球免受来自太空的辐射,但它们对于宇航员和无人驾驶飞行器来说都是禁区。而范艾伦探测器专门设计用于穿越安全带而不会被辐射破坏。这涉及屏蔽电子设备以防止电荷的积累和一般的加强,这使得飞行器能够充当飞行实验室来理解辐射对电子设备的影响。

“这是我们首次使用高分辨率的观测仪器对太空中的高能辐射带进行观测,”贝克说,“一开始还很模糊,然而两颗卫星上天后没几天,就观测到了内带产生的强烈高能电子流,并在内带与外带之间出现了清晰的第三层辐射带。”

范艾伦辐射带是环绕地球的高能粒子辐射带,首次由探险者1号(Explorer
1)携带的盖革计数器(Geiger
Counter)发现,在发射升空之前,科学家们期待测量到宇宙射线——源自太阳系以外的高能粒子,升空后测得的辐射量比人们预期高出一千多倍,从此一门新的物理学科诞生了。

“设计航天器和仪器以抵御非常恶劣的辐射环境是范艾伦探测器在设计和开发过程中面临的最严峻挑战,”2007年至2012年APL项目经理Rick
Fitzgerald说道。“辐射会对电子设备造成损害,导致不稳定的行为或彻底的失败。我们通过严格的设计审查程序,仔细选择电子零件以及广泛的零件和材料测试来降低失败的风险。”

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2012年9月,范艾伦带的内外层辐射带中间,出现了第三层辐射带。黄色表示辐射带,绿色表示辐射带之间的安全地区。

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由于这种强化,范艾伦探测器不仅延长了使用寿命,而且还继续发送大量数据。

“尽管已被发现了55年,地球的辐射带依然神秘,有着新现象等我们去发现和解释,”范艾伦探测器的项目副研究员、美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理研究室的尼基·福克斯(Nicky
Fox)说,“我们以为我们很了解它们了,但其实并不是这样。科技的进步使我们看到更多,NASA项目的这次发现是对基础科学的一次冲击。”

探险者1号于1958年1月31日发射升空,比先驱者一号早。

“在过去六年半的时间里,范艾伦探测器在磁层周围测量了100多次地磁暴”,APL项目科学家Sasha
Ukhorskiy说道。“范艾伦探测器验证并量化了之前认为的理论,发现了可以塑造近地高能粒子群的新机制,并使用了独特的仪器来揭示以前传感器几乎看不见的意外特征。”

美国国家气象局空间天气预报中心的乔·昆切斯(Joe
Kunches)说,目前还没有收到任何短暂出现的第三层辐射带损坏人造卫星的报告,不过卫星控制人员通常不会上报这种信息。

Credits: NASA’s Marshall Space Flight
Center

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科学家还将继续梳理探测器发回的数据,以便从理论和观测上进一步了解这些辐射带。这些发现可能会帮助工程师更好的设计航天器,以防范辐射带中有害的辐射。空间天气预报员也可以利用范艾伦探测器传回的实时数据,给人造卫星控制人员提供更准确的预警和辐射带活动预报。昆切斯表示:“这才是真正让我们兴奋的事情”。

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这种成功的缺点是探测器在推进器推进剂上运行不足,这意味着最终任务控制将不再能够命令该对进行轨道校正。NASA的规定现在要求所有航天器在其任务结束后的25年内从低地球轨道移除。

信息来源:Eurekalert!

早期的范艾伦辐射带模型

尽管范艾伦探测任务仍在继续,但上个月的轨道变化将使航天器在掠过地球大气层的外围时处于一个不断变窄的轨道上。这需要在一年中的特定时间在轨道上的特定点处发射推进器。在那之后,物理定律接管,直到它们的轨道自然衰变并且工艺在大气中燃烧。

图片来源:NASA

Credits: NASA’s Goddard Space Flight
Center/Historic image of Van Allen Belts courtesy of NASA’s Langley
Research Center

“当卫星处于远离地球的最高轨道点或者所谓的远地点时,我们需要进行机动,”范艾伦探测器任务设计师Justin
Atchison说。“理想情况下,我们可以在一天内完成一次机动的所有轨道变换。但是,我们受到推进器能力的限制,推进器通常仅用于非常小的机动以略微调整轨道或因此我们必须将机动分成更小的部分来实现目标。”

 

上图是早期的范艾伦辐射带模型,其中内带主要由质子构成,外带主要由电子构成。外带中包含来自太阳数十亿的高能粒子,聚集起地球磁场区域。内带是由地球大气层和宇宙射线之间的相互作用产生的,这些会影响到未受保护的宇航员,以及电子仪器设备。

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第三个辐射带

Credits: NASA’s Goddard Space Flight
Center/Johns Hopkins University, Applied Physics Laboratory

2012年8月30日升空不久的,两颗范艾伦辐射探测器发现了第三个辐射带,持续了一个月,在之后的太阳活动中再次出现,科学家们建立了新的范艾伦辐射带模型。

所以说新技术,新仪器设备,会带来科学上的新发现。详见阅读原文。返回搜狐,查看更多

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