作者：黃湘紅 段躍初

近年來，科學家們對地球天氣與太空環境之間的相互作用有了突破性的新發現。一項發表于2024年12月2日《科學美國人》雜志的研究揭示了地球大氣中的閃電擊中現象，如何在低地軌道上引發高功率的“殺手電子雨”，這一發現打破了科學家們以往的認知，即這類高能電子僅出現在地球遙遠的外輻射帶。

“殺手電子”是指位于地球輻射帶中的高能電子，它們具有足夠的能量，對航天器造成嚴重威脅。這些電子通常位于范艾倫輻射帶內，能夠穿透航天器的表層材料，導致材料退化，損害電子器件，甚至引發單粒子效應，從而影響航天器的正常運作。

美國科羅拉多大學博爾德分校的天體物理學家勞倫·布盧姆指出：“這些高能粒子對航天器和太空中的人類都有損害。了解內部輻射帶中何時出現高能電子，將有助于我們采取措施避免損害?！?/p>

這項研究的主要作者馬克斯·費恩蘭在分析NASA的SAMPEX任務數據時，發現了一種異常現象：1996年至2006年間，高能電子沉淀的快速激增。進一步的研究表明，這些高能電子沉淀與地球大氣中的閃電活動密切相關。研究人員將微爆數據與國家雷電探測網的數據進行對比，發現內輻射帶的爆發確實與閃電活動相吻合。閃電釋放的電磁波從大氣層上升到地球的磁場線，進入內輻射圈區域，其能量足以將高能電子從磁場限制中擊出。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室的太空氣象科學家史蒂文·莫利認為，這個發現具有很高的說服力，因為它建立了閃電活動與內輻射帶高能電子沉淀之間的聯系。然而，由于數據限制，這個研究領域仍有很大的探索空間。

布盧姆強調，這些發現為地球天氣與太空環境之間的緊密聯系敲響了警鐘。這種聯系可能對臭氧層、大氣化學甚至氣候產生影響。她說道：“我們不能只研究太陽到地球和輻射帶的動力學，還必須了解我們自己的大氣層和地面天氣系統?！?/p>

事實上，地球天氣與太空環境之間的聯系早已引起科學家們的關注。太陽風暴、地磁暴等現象都會對地球天氣產生影響。而此次研究發現，地球大氣中的閃電活動也能影響太空環境，進一步證明了這種相互作用。

為了更好地應對這種相互作用帶來的影響，航天器設計師采取了多種措施。他們使用輻射硬化材料和技術來制造航天器組件，在關鍵電子部件上使用屏蔽以減少輻射暴露，設計冗余系統以保持航天器的運作，并實施定期維護和檢查以監測輻射損傷。

總之，地球閃電引發的太空“殺手電子雨”現象，不僅揭示了地球天氣與太空環境之間的緊密聯系，也為我國太空環境研究和地球天氣預測提供了新的思路。在今后的科研工作中，科學家們將繼續深入研究這一領域，為人類航天事業和地球環境保護作出更大貢獻。通過這些研究，我們不僅能夠更好地保護航天器免受高能電子的侵害，還能夠更深入地理解地球天氣系統與太空環境之間的復雜互動。

來源: 科普文訊