范·艾伦（Van Allen）探针查看增压辐射带

关于加速电子在地球范艾伦辐射带中循环的艺术家概念。

新的研究详细说明了日冕物质从太阳弹出的驱动力所产生的冲击波如何撞击最外层的辐射带，从而引发了过去十年中最大的地磁风暴。

我们的星球坐落在两个巨大的，同心的，具有强大辐射力的甜甜圈的中心：范艾伦辐射带，其中藏有成群的带电粒子，这些粒子被地球磁场捕获。2015年3月17日，行星际震动（由太阳的日冕物质抛射或CME的驱动力产生的震动波）撞击了地球磁场（称为磁层），引发了过去十年中最大的地磁风暴。NASA的Van Allen Probes在那里观看辐射带上的影响。

地磁风暴是太空天气最常见的一种形式，它描述了磁层突然受到暂时性扰动的任何事件。此类事件也可能导致地球周围的辐射带发生变化，但研究人员很少能够观察到发生了什么。但是在2015年3月的地磁风暴发生的那一天，范·艾伦探测器（Van Allen Probes）之一正绕着这些轨道运行，通过罕见的现象提供了前所未有的高分辨率数据。关于这些观测的论文于2016年8月15日发表在《地球物理研究杂志》上。

2015年3月17日，行星际激波（由太阳的日冕物质抛射或CME的驱动力产生的激波）撞击最外层的辐射带，引发了过去十年中最大的地磁风暴。NASA的Van Allen Probes在那里观看。

研究人员希望研究地球周围的复杂太空环境，因为那里的辐射和能量会以多种方式影响我们的卫星-从中断车载电子设备到增加摩擦阻力再到破坏通信和导航信号。

“我们研究辐射带是因为它们会对航天器和宇航员造成危害，”未参与该论文的美国宇航局范艾伦探测器任务科学家戴维·西贝克说。他是位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的科学家。“如果您知道辐射会变得很糟，那么您将制造出更好的航天器来容纳这种辐射。”

研究辐射带是我们监测，研究和了解太空天气的工作之一。NASA于2012年发射了双Van Vanen探针，以了解造成这种恶劣环境的基本物理过程，以便科学家可以开发出更好的辐射带模型。这些航天器经过专门设计，可以承受该区域不断受到的辐射轰炸，即使在最恶劣的条件下也可以继续收集数据。一系列关于辐射带如何响应这种严酷的太空环境中的重大太空天气风暴的观察结果是一个金矿。

最近的研究描述了发生了什么：2015年3月的风暴是由撞击地球的行星际震动引发的，这是CME在太空中引发的巨大冲击波，就像地震引发的海啸一样。

为了响应此类事件和太阳辐射而膨胀和收缩，范艾伦带是地球磁层中高度动态的结构。有时，近地空间中不断变化的条件会激发这些不断变化的区域中的电子。科学家们还不知道由行星际震动驱动的通电事件是否很常见。无论如何，行星际震动的影响是高度局限性的事件-这意味着，如果在撞击发生时航天器未完全正确地放置在正确的位置，它将根本无法记录该事件。在这种情况下，只有Van Allen探头中的一个处于磁层深处的正确位置-但是它能够发送回关键信息。

航天器测量到突然激起的电子脉冲，其激发出的极快速度几乎与光速一样快，这是由于冲击猛烈撞击了外部辐射带。这种电子寿命短，其能量在几分钟之内就消散了。但是五天后，在暴风雨的其他过程消失了很长时间之后，范·艾伦探针探测到越来越多的甚至更高能量的电子。如此之快的增长证明了暴风雨之后独特的通电过程。

戈达德的范艾伦探测器副任务科学家Shri Kanekal表示：“冲击是从带内深处的磁层外部注入的，也就是推动了它的运动，在这种过程中，电子获得了能量。”关于这些结果的论文的作者。

现在，研究人员可以将此示例并入他们已经了解的电子在皮带中的行为方式中，以便试图了解在这种情况下发生的情况–并更好地绘制那里的空间天气过程。辐射带中的电子可以通过多种方式被激励或加速：径向，局部或通过冲击。在径向加速度中，电子被低频波带向地球。局部加速度描述了当电子绕地球运行时，电子从相对较高频率的波中获取能量的过程。最后，在加速冲击过程中，强烈的行星际冲击突然压缩了磁层，产生了大的电场，迅速为电子供电。

科学家研究了不同的过程，以了解每个过程在激发磁层中粒子的过程中所起的作用。这些机制可能结合在一起出现，或者一次只能出现一次。回答这个问题仍然是辐射带研究的主要目标-考虑到数据收集的偶然性质，尤其是在冲击加速方面，这是一项艰巨的任务。

另外，电子通电的程度取决于使它们通电的过程。正如范艾伦探针（Van Allen Probe）观察到的那样，人们可以将震动加速的过程比作推动摇摆。

卡内卡尔说：“认为'推动'是增加能量的现象。”“推得越多，挥杆就越高。”更快的电子在撞击后将移动。

在这种情况下，这些额外的推动可能导致高能电子的第二个峰值。当来自冲击的电磁波在磁层中徘徊时，它们继续提高电子的能量。风暴越强，这种波浪持续的时间就越长。在2015年3月的暴风雨之后，由此产生的电磁波持续了几天。结果：五天后，Van Allen探针测出电子能量的峰值。

2015年3月的地磁风暴是十年来最强的风暴，但与某些早期的风暴相比，它显得苍白无力。1991年3月的一场风暴是如此之强，以至于它产生了长寿命的，激发能量的电子，这些电子在辐射带中停留了多年。幸运的是，Van Allen探测器可能会在轨道上处于正确的位置，以观察辐射带对未来更多地磁风暴的反应。当科学家从不同事件中收集数据时，他们可以将它们进行比较和对比，最终有助于为这些巨型地带中发生的鲜为人知的过程建立可靠的模型。

位于马里兰州劳雷尔市的约翰霍普金斯大学应用物理实验室在科学任务部为NASA的太阳物理学部建造和运营了Van Allen探针。Van Allen Probes是NASA的“与星共存”计划的第二项任务，该计划由戈达德（Goddard）管理，重点关注直接影响人类生活和社会的太阳地球系统的各个方面。

出版物：S. G. Kanekal等人，“到2015年3月17日行星际激波会促使磁层电子加速到超相对论能量”，《地球物理研究杂志》，2016年； DOI：10.1002 / 2016JA022596