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范艾伦探测器准备进入地球大气层,潜伏第三条

2019-10-09 05:14

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。

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。

百家棋牌官网,1958年,空间科学家在地球大气层的上部区域发现了两条范艾伦辐射带,呈环圈形的辐射带好像油炸食品“甜甜圈”的外形。不同的带电粒子构成了范艾伦辐射带,位于内侧的辐射带由高能电子和高能正离子组成,位于外侧的辐射带由高能电子组成。两条大气层上方的范艾伦辐射带环绕我们的地球,太阳风和地球磁场的相互作用影响了辐射带的性质,范艾伦辐射带在地球上方形成两条天然的屏障。空间科学家没有停止对范艾伦辐射带的探测,2013年2月,一支科学团队发现了令人惊奇的第三条范艾伦辐射带,《科学》杂志报道了团队的探测成果。第三条辐射带位于第一条和第二条辐射带之间,窄的辐射带似乎有一种“时隐时现”的特征,时而出现在那个位置,时而从那个位置消失。

科学家发现范艾伦带能够加速粒子而非捕获粒子 半世纪辐射带之谜一朝得解

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。

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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。

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。

(艺术概念图展示了范艾伦辐射带。范艾伦辐射带是一个甜甜圈形区域,含有“致命电子”,环绕地球的辐射带经常由于太阳风暴和其它空间天气事件而发生膨胀,对卫星通讯、GPS卫星以及宇航员构成严重威胁。)

NASA的范艾伦辐射探测器证实,范艾伦辐射带在太阳风暴过后不久就可以自行加速电子。图片来源: ARTIST’S IMPRESSION JHU/APL

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。

第三条范艾伦辐射带出现和消失的“隐身现象”引起了科学家的注意,加州大学洛杉矶分校的大气和海洋学院的科学家组成了科学小组,他们成功地解释了第三条辐射带时而产生、时而消退的物理机制,《地球物理学研究通讯》杂志刊登了他们的研究论文。加州大学洛杉矶分校的科学家理查德·索恩和科学小组的同事发现,第三条范艾伦辐射带的“存活周期”为四个星期,通过定量分析在辐射带内分散电子的相对论运动、定性分析磁场的惠斯勒模型在稠密等离子体产生的波动作用,他们解释了辐射带不同寻常的、缓慢的衰变过程、解释了只有当注入的相对论电子的能量达到2兆电子伏特时,人们才能够观测到辐射带的呈现。

本报讯 高速粒子以两个同心圆的方式环绕地球运行的秘密终于被揭开——这距离其被发现已有55年。这两个同心圆被称为范艾伦辐射带。美国宇航局的两个探测器已经发现,范艾伦辐射带负责加速粒子,而不是收集来自其他地方的高能粒子。空间科学家认为,他们的最新发现也可以解释围绕土星和木星运行的能量更高的辐射带,以及太阳系外,甚至是一些类太阳恒星的高能辐射。

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1958年,空间科学家詹姆斯:范艾伦和同事确定了该辐射带。几年之后,研究人员推断,这些同心圆中的电子来自遥远的地球磁气圈。他们提出,随着这些粒子漂移接近地球,遇到更强的磁场,它们就会加速并进入一个环状的运行轨道。

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。

(范艾伦辐射带的剖面图,两个范艾伦探测器从中穿过。范艾伦辐射带是环绕地球的甜甜圈形区域,含有高能粒子,主要是电子和离子。)

但是这种形式的加速过程需要几天到几周的时间,从而最好地描述了只随时间逐渐变化的辐射带。20世纪90年代,卫星观测开始显示,范艾伦辐射带的能量和密度在更加迅速地发生变化。于是,关于辐射带电子来源的一个有竞争性的理论开始生效:带电粒子并不是来自远方,而是在原地产生的——辐射带中的电场从游离原子中得到电子,并将其加速至将近光速。该过程会在数秒到数小时的时间里使辐射带的能量发生变化,这一理论与20世纪90年代的观测结果更加吻合。

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。

NASA制定了范艾伦探测器使命计划,该计划有重要的理论研究和实际应用的价值,主要的探测目标是理解辐射带内以相对论运动的电子如何形成、最终如何损失的过程,2012年夏季,范艾伦探测器发射升空,两个“双胞胎”范艾伦探测器在辐射带“穿梭”,从中收集了大量的探测资料。辐射带内存在强烈的辐射,对太空粒子形成了类似“加速器”的作用力。高强辐射和粒子的高速运动对在近地轨道飞行的卫星和其它太空飞行器产生了致命的危害,如果宇航员在辐射带内执行一条走出太空舱的操作指令,那么他们会暴露在强辐射线的环境中,卫星和宇航员在穿越辐射带时需要采取相应的防护措施。

然而,卫星观测的范围仍然太过稀疏,而且卫星并不是为观测辐射带在不同位置的快速变化特性而设计的。该研究的一位作者、新罕布什尔大学空间科学家Harlan Spence认为,要想完全区分这两种加速模式,需要专门为其设计卫星。

“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8月,NASA的范艾伦辐射探测器的发射大大缩小了数据差距——这是两颗相同的卫星,它们会同时从不同位置和角度对辐射带进行观测。同年10月初,在太阳风暴耗尽辐射带最外层大多数电子的一周后,两个探测器记录了电子密度在不到12小时里有将近1000倍的激增。Spence称,两颗卫星的观测结果支持辐射带内的电场加速电子的说法。

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。

(2012年8月31日,太阳表面喷射一个巨大的日珥,将粒子喷向地球的同时形成一个奔向地球的冲击波,这一事件可能是第三个辐射带形成的原因。)

“从这一次事件中,我们就能够真正区分粒子被加速的不同方法。”Spence称,“辐射带是太空时代的第一个发现,而通过范艾伦辐射探测器了解该过程的核心令人非常兴奋。”

“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。”

此前,科学家们一直认为地球大气层外有两条范艾伦辐射带,2013年,粒子探测器在两条辐射带的外侧发现了第三条范艾伦辐射带。加拿大阿尔伯塔大学的科学家相信,第三条范艾伦辐射带由“太空海啸“造成。低频的等离子体波穿过了辐射带的外圈,进入到地球上空1000到50000公里的区域,形成了第三条范艾伦辐射带。阿尔伯塔大学的科学家观察到一些巨大的等离子体波,看起来非常像一场发生在太空的海啸,它们搅动了周围的辐射带,非常快速地冲走了外围的辐射,”海啸理论“很好地解释了神秘的第三条范艾伦辐射带的结构。

得克萨斯州西南研究院的空间物理学家David McComas评论称,该观测结果“清楚地说明了大量粒子加速可以在辐射带中心位置发生”。

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Spence认为,辐射带中一些电磁波频率与电子在附近磁场运行的频率吻合,这样的同步使带电粒子的加速变得容易。

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。

​(范艾伦辐射带对卫星、宇航员和地面的通讯系统构成了威胁,加深对辐射带的了解至关重要,现代社会对太空技术的依赖程度越来越高。)

范艾伦探测器准备进入地球大气层,潜伏第三条范艾伦辐射带【百家棋牌官网】。McComas表示,高能粒子原地加速是一个普遍的物理过程。“因此如果它发生在地球范艾伦辐射带的中心位置,它也可能在木星和土星,甚至是太阳系之外磁化恒星的行星周围更强烈的辐射带中发生。”

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。

(编译:2013-8-1)

《中国科学报》 (2013-07-31 第2版 国际)

“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。”

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