地球上的閃電將“殺手電子”從軌道上擊落

地球風暴釋放的高能電子可能會威脅衛星和航天器

Lightning strikes against a dark blue sky

閃電在地球軌道上釋放帶電粒子。

Samuel Boivin/Getty Images

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新的研究表明,大氣層中的閃電可能會在近地軌道引發高能“殺手電子”雨,形成有害的輻射流。科學家此前認為,殺手電子可能只出現在我們星球遙遠的外輻射帶,但《自然·通訊》雜誌上的一項研究發現,閃電也會在更近的內輻射帶中將其釋放出來。

科羅拉多大學博爾德分校的天體物理學家、研究合著者勞倫·布魯姆說:“這些高能粒子對航天器以及太空中的人類都具有破壞性。 “瞭解內輻射帶中何時存在極高能量的電子將有助於知道何時避開它。”

當帶電粒子(由地球磁場固定)從地球環形輻射帶之一的靜止狀態中脫離時,就會發生電子沉降。 新研究的主要作者馬克斯·費因蘭(當時是博爾德分校的本科生)檢查了美國國家航空航天局 (NASA) 的 SAMPEX 任務(該任務跟蹤帶電粒子)的資料,注意到 1996 年至 2006 年間記錄的“微爆發”(高能電子沉降的快速湧入)讀數中存在一些奇怪之處。 在設計了一種演算法來查詢資料中的這些峰值後,費因蘭驚訝地看到了來自內輻射帶的讀數,許多科學家認為內輻射帶只容納能量較低、速度較慢的電子。 費因蘭和布魯姆(當時是費因蘭的研究顧問)立即開始思考潛在的原因。 費因蘭說:“人們知道內輻射帶存在閃電引起的電子沉降,但‘他們尚未最終確定地看到如此快速的電子的這種情況。’”


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研究人員將他們的微爆發資料與國家閃電探測網路資料集進行比較,發現內輻射帶中的爆發確實與閃電閃爍同時發生的統計可能性。 後者釋放的電磁波沿著地球的磁場線從大氣層傳播到內輻射帶區域,其能量足以將高能電子從磁約束中擊出。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室的空間天氣科學家史蒂文·莫利說,該團隊的發現令人信服,因為似乎以前沒有人建立過這樣的聯絡。 他補充說,該研究領域存在資料限制,因為自 SAMPEX 二十年前結束後,幾乎沒有進行過測量。 但他說,這項研究“非常令人興奮,即使它受到資料的高度限制。 它確實引發了很多其他問題。”

布魯姆說,這些發現是對地球和太空天氣如何相互交織的“警鐘”; 這種聯絡可能會對臭氧層、大氣化學甚至氣候產生影響。 “我們不能僅僅分別研究太陽到地球和輻射帶的動力學,”她說。 “我們還必須瞭解我們自身大氣層和地球天氣系統中正在發生的事情。”

Kate Graham-Shaw 是一位常駐紐約市的記者。 她為日本媒體報道國際新聞,也以自由職業者的身份報道健康和科學主題。

更多作者:Kate Graham-Shaw
大眾科學 Magazine Vol 332 Issue 1本文最初以“殺手電子”為標題發表於《大眾科學》雜誌 第 332 卷第 1 期(),第 16 頁
doi:10.1038/scientificamerican012025-5CT1XthOzmc7teyak82Eec
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