電子被環繞地球的一個無限循環的環捕獲了范艾倫帶上的等離子體密度為何劇烈下降？有哪些影響？會把電子加速至接近光速？

這是范艾倫帶的一幅示意圖，灰色的是極端相對論性電子的軌跡。醒目的彩色圓圈是必須穿過太空中這一電磁危險區域的衛星的軌道。

圖片版權：英戈 米凱利斯(Ingo Michaelis)、尤里 施普里茨(Yuri Shprits)，德國波茨坦地學研究中心(GFZ)

在一場恰好的太陽風暴的漩渦中，電子可能會在地球附近被捕獲，在地球附近電子可能被加速至接近光速。電子因在等離子體波上滑行而具有了能量，等離子體是一種劇熱帶電的氣狀物質，在太陽風暴期間它被太陽發射了出來。依據來自德國波茨坦地學研究中心的研究者的一項新研究，只有當等離子體的密度較低時，電子才能被加速至接近光速。

這項發現意義重大，因為電子的移動速度很快，這對于人造衛星和其他電子設備尤其危險。它們能穿透衛星用來隔絕太陽風暴中其他帶電粒子的防護，損壞敏感元件。

這種現象發生在里外兩條范艾倫輻射帶中，它們是地磁場捕獲的帶電粒子形成的一種圓餅形的繞地球的環。里層的輻射帶在地球上空大約400英里（640千米）處，外層的輻射帶延伸到了36,000英里（58,000千米）以外，保護我們的星球免受由太陽產生的帶電粒子的影響。但是它們也以一種我們仍不完全理解的方式與太陽風暴發生反應。2012年國家航空航天局（NASA）發射了兩艘范艾倫帶探測器探測地球臨近空間的這一神秘區域。探測器探測了擁有“極端相對論性能量”的電子，即接近光速移動的電子。

范艾倫探測器展開隔板臂的照片（圖源：NASA）

研究者仍然不確定電子如何變得這么活躍的。有的人認為電子的加速分兩個階段，第一階段

發生在外層輻射帶的外側，第二階段則在更深的部分。但是來自探測器的新數據發現不需要兩個階段的加速。取而代之的是，在一場太陽風暴中，電子的速度與它所處環境：等離子體的密度等級息息相關。

“這項研究說明，如果地球輻射帶的電子所處等離子體環境的條件——等離子體波以及等離子體暫時的低密度是合適的，它就能被迅速地局部加速至擁有極端相對論性能量。”，研究的共同作者，德國波茨坦地學研究中心的一名空間物理學家，尤里 施普里茨在一段發言中表示。

通常，范艾倫帶內的等離子體密度在50個粒子每立方厘米到100個粒子每立方厘米之間。但是當密度降低到10個粒子每立方厘米以下時，電子就能從被稱為“合唱波”(chorus waves)的電磁波中吸收能量，將它們的動能從幾十萬電子伏特躍增至700萬電子伏特。相比之下，核子研究組織（CERN）使用的線形加速器直到2020年才把質子加速到5000電子伏特。研究者早就懷疑合唱波可能是加速電子的始作俑者，但當時沒能意識到這只在等離子體密度低時發生。

等離子體的低密度使得更多由等離子體波向電子的高效率能量轉移能夠發生。

這些密度降低的現象并不經常發生，研究者在他們的論文中寫道，論文于1月29日在《科學進步》期刊上發表。2015年，開始觀測后，適宜的條件只出現了少數幾次，他們補充道。這些極端條件可能與范艾倫帶中發生的的持續性對流有關，持續性對流指較熱，較輕的物質上升，而密度較大，較冷的物質下沉的現象。研究者寫道，等離子體偶爾變得這么稀薄的原因還需要進行更多研究。

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地球（圖源：theweathernetwork）

地球是距離太陽的第三顆行星，也是宇宙天體中唯一已知的生命港灣。盡管有大量的水遍布于太陽系中，但只有地球存在穩定的地表液態水。海洋覆蓋了地球表面約71%的部分，使南北極的冰川、湖泊、河流相形見絀。剩下29%的面積是陸地，其中有大陸也有島嶼。地球表層由數塊緩慢漂移的地殼板塊構成，板塊間相互作用引起了造山運動、火山噴發以及地震。地球的液狀外層核心造就了磁場，磁場造就了地球磁層，從而使毀滅性的太陽風偏轉。

BY:Stephanie Pappas

FY:高中老油條

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來源: 天文在線