內輻射帶

“內輻射帶”是天文學專有名詞。來自中國天文學名詞審定委員會審定發布的天文學專有名詞中文譯名，詞條譯名和中英文解釋數據著作權由天文學名詞委所有。

基本介紹

• 中文名：內輻射帶
• 外文名：inner radiation zone
• 粒子運動：分為三部分

“內輻射帶”是天文學專有名詞。來自中國天文學名詞審定委員會審定發布的天文學專有名詞中文譯名，詞條譯名和中英文解釋數據著作權由天文學名詞委所有。

輻射帶

地球磁層中存在一個充滿著被捕獲的高能帶電粒子的區域，這個區域叫做輻射帶[Yan Allen and Frank, 1959]。由宇宙線或者太陽輻射出來的帶電粒子與地球中高層大氣相互作用形成的帶電粒子，可以被地球磁場捕獲，沿地球磁場磁力線做螺旋形運動，同時輻射電磁波，形成高能帶電粒子的富集區，被稱作地球輻射帶。1958-1959年范艾倫等人根據人造地球衛星的觀測資料證明了它的存在，因而又稱范艾倫帶。

內輻射帶與外輻射帶

輻射帶分為內輻射帶和外輻射帶，如圖所示。內輻射帶離地面較近，分布範圍從1.2一2個地球半徑，中心位置距離地心約1.5 Re附近，主要成分為高能的質子(10-100MeV)，也有低能質子，電子以及少量的氖和氖，質子通量可高達10e5(cm2*s)，主要來源於銀河宇宙射線;外輻射帶離地面較遠，分布範圍從2.6一6個地球半徑，中心位置在3-4 Re處，其主要成分為高能電子，最大通量為10e9/(cm2 * s)，一般認為這些能量電子是由太陽風擴散進入或者由磁層電子加速而來。內輻射帶和外輻射帶之間是槽區，有學者研究認為這是由於在VLF波的作用下，電子很容易與槽區的電漿嘶聲共振以致在槽區損失而引起的。本文研究內容只涉及內輻射帶高能質子。

輻射帶中粒子運動

一個相對論質量為m，電量為q的帶電粒子處於給定的電場}\磁場B中則在庫侖力和洛倫茲力的作用下，其運動可以分解成三個部分。

第一種是圍繞磁力線迴旋運動，由於地球磁場的存在，粒子會圍繞磁力線做洛倫茲迴旋運動，該運動和帶電粒子所帶電荷態是有關的。迴旋運動的圓心稱為導向中心，圓周運動的半徑叫做迴旋半徑。迴旋半徑的大小和磁場強弱以及粒子的能量相關，磁場越強，粒子能量越小，迴旋半徑越小。

第二種是沿著磁力線的彈跳運動。當磁場存在平行梯度時，帶電粒子總的速度雖然不會變化，但粒子由於受到與磁場方向相反的作用力，會導致沿磁場方向的平行速度分量沿磁場增強的方向減小，最終平行速度反向，這種平行方向的往返叫做“磁鏡像”，磁鏡點之間的運動叫“彈跳運動”。在地球內磁層中，磁場形態近似於偶極場，當帶電粒子具有平行於磁場方向的速度時，就會在兩極的磁鏡點之間來回彈跳。如果粒子經歷的磁場時間變化尺度遠大於彈跳周期，則粒子平行磁場方向的動量在其彈跳路徑上的積分保持守恆。

第三種是垂直磁力線的漂移運動。當磁場強度在垂直於磁場的方向上存在梯度時，由於帶電粒子在磁場強度小的區域迴旋半徑大，在磁場強度大的區域迴旋半徑小，使得帶電粒子沿垂直於磁場的方向漂移(如圖1.4所示)。漂移方向和帶電粒子所帶電荷有關，質子和電子的漂移方向相反。此外，當磁力線彎曲時，帶電粒子將受到慣性離心力的作用發生曲率漂移。帶電粒子的這兩種漂移運動統稱為梯度一曲率漂移。在地球偶極磁場中，電子向東漂移，質子向西漂移。

內輻射帶質子分布

較高能量的質子主要集中在內輻射帶，分布範圍大約在1.2-2個Re。內輻射帶高能質子通量隨高度先上升後下降。通量在1.5個地球半徑左右達到最大值。圖是能量大於SOOMeV的高能質子通量的空間分布。

由於地球磁場並非真正的偶極子場，且地球磁軸傾斜於地球自轉軸約11度，范艾倫輻射帶並非等距環繞整個地球，在南美洲南部及南大西洋海域，范艾倫帶在該區域上空形成一凹陷部分，形成輻射帶的南大西洋異常區。

南大西洋異常區是引起低軌道太空飛行器輻射危害嚴重的區域，是帶電粒子誘發的異常或故障的高發區。這裡輻射帶粒子與地球大氣相勺_作用的可能性最大。在800km高度，南大西洋異常區空間分布尺度很大，從東經15度到西經120度。南大西洋異常區中心有多種不同的定義方式，本文將南大西洋異常區質子通量最大值對應的位置定義為南大西洋異常區的中心。

內輻射帶質子動態變化

通常認為，至少有一部分內輻射帶質子是由於高能宇宙線(起源於銀河系的高能粒子)作用產生的。進入地球磁層的宇宙質子與大氣原子相碰撞，產生一個中子。其中的一些中子到達磁層，衰變成一個質子，一個電子和一個中微子，這個過程稱為宇宙線反照中子衰變。中子的絕大部分動量存在於新產生的質子中，如果這些質子處於合適的初始運動方向和位置，就會被地磁場捕獲。這些被捕獲的質子的能量接近逃逸中子的能量，能量可以到達幾百MeV。輻射帶的高能質子由於不斷與大氣中的原子非彈性碰撞而逐漸損失能量，最後這些粒子損失在大氣層中。輻射帶的高能質子處於不斷產生又不斷損失的平衡狀態。

影響輻射帶粒子分布範圍和強度的主要因素有:地磁場的長期變化，太陽活動的水平，銀河宇宙線，地球磁場的擾動等等。因此，輻射帶的動態變化可以分為不同時間尺度的規律性的變化與擾動變化。規律性的變化包括:(1)地球內源場的長期變化引起的內輻射帶下沉，輻射通量增強，南大西洋異常區西漂;(2)太陽活動及銀河宇宙線的11年周期性變化導致的輻射帶質子通量的11周期性變化;(3)由於地球繞太陽公轉導致的年變化和季節性變化;(4)由於太陽27天的自轉導致的27天變化;(4)由於地球自轉導致的周日變化。而擾動性變主要分為兩類:(1)太陽質子事件;(2)高能電子暴。

輻射帶中粒子分布的範圍和形狀收到地磁場的制約。由於地球磁場的強度和結構不斷發生緩慢長期的變化，低空被捕獲粒子也要受到地球磁場長期變化的影響。地球偶極磁場的中心位置以2.5公里/年的速度偏離地心，地球磁場的偶極矩在不斷的衰減，同一(B, L)值所在的高度逐年降低，綜合效應是使輻射帶的最內層區域緩慢向內漂移，高能質子通量增強。同時，地球非偶極場子逐年向西漂移，南大西洋異常區高能質子的分布位置也會存在與非偶極場子相關的長期緩慢變化。

目前普遍認為內輻射帶的高能質子主要由銀河宇宙線反照中子衰變形成，而銀河宇宙線的強度也受太陽周期活動調製，在沒有太陽耀斑效應時，10MeV至10000MeV能量範圍的全向宇宙線強度隨太陽活動性的增加而減少，因而宇宙線反照中子衰變過程也會相應的減弱。