杀手电子雷暴与太空天气玩起宇宙弹球

当闪电击中地球时，电子就会倾泻而下。在一项新研究中，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员在一名本科生的带领下发现了地球天气与太空天气之间的新联系。该团队利用卫星数据揭示，地球上的雷暴可以将能量特别高或“超热”的电子从内辐射带中驱逐出去。内辐射带是一片被带电粒子包裹的空间区域，像内胎一样环绕着地球。

研究小组的研究结果可以帮助卫星甚至宇航员避免太空中的危险辐射。首席作者、本科生马克斯·费因兰德说，这是一种你不想遇到的暴雨。

“这些粒子非常可怕，有些人称之为‘杀手电子’，”费兰德说道，他于2024年春季获得了科罗拉多大学博尔德分校的航空航天工程科学学士学位。“它们可以穿透卫星上的金属，击中电路板，如果在太空中击中人体，还可能致癌。”

这项研究着眼于由地球磁场产生的辐射带。论文合著者、科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室(LASP)助理教授劳伦·布鲁姆(LaurenBlum)解释说，其中两个区域环绕着我们的星球：虽然它们会随着时间的推移而移动，但内带往往始于距地表600多英里的地方。外带始于距地球约12,000英里的地方。这些太空中的漂浮物会捕获从太阳流向我们星球的带电粒子，在地球大气层和太阳系其他部分之间形成一种屏障。

但它们并非完全密不透风。例如，科学家早就知道高能电子可以从外辐射带到地球。然而，布鲁姆和她的同事是第一个发现来自内辐射带的类似电子雨的人。

换句话说，地球和太空可能并不像看上去那么分离。

布鲁姆说：“太空天气实际上是由上方和下方两个因素共同驱动的。”

晴天霹雳

这是对闪电威力的证明。

当闪电在地球上空闪烁时，这种能量爆发也可能将无线电波螺旋式地送入太空深处。如果这些波撞上辐射带中的电子，它们会将它们推开——有点像摇晃雨伞以甩掉水。在某些情况下，这种“闪电引起的电子沉淀”甚至会影响地球大气的化学性质。

迄今为止，研究人员仅收集了从内辐射带落下的低能量或“较冷”电子的直接测量数据。

“一般来说，内层传送带比较无趣，”布鲁姆说，“但它很稳定，始终在那里。”

她的团队的新发现几乎是偶然的。费因兰德在分析美国宇航局现已退役的太阳、异常和磁层粒子探测器(SAMPEX)卫星的数据时，发现了一些奇怪的东西：一团团似乎是高能电子在内带中移动。

“我向劳伦展示了我的一些观测结果，她说，‘这些电子不应该出现在那里，’”费兰德说。“一些文献表明，内带中根本没有高能电子。”

该团队决定进行深入挖掘。

总的来说，费兰德在1996年至2006年期间在内带统计了45次高能电子激增。他将这些事件与北美的雷击记录进行了比较。果然，一些电子峰值似乎在雷击地面后不到一秒就出现了。

电子弹球

研究小组认为，事情的真相是这样的：雷击过后，来自地球的无线电波在太空中引发了一场疯狂的弹球游戏。它们撞击内带的电子，然后电子开始在地球的南北半球之间来回弹跳——仅需0.2秒即可完成。

每次电子反弹时，其中一些电子就会从电子带中掉落到我们的大气层中。

“你会看到一大团电子反弹，然后又回来，再次反弹，”布鲁姆说。“你会看到这个初始信号，然后它就会衰减。”

布鲁姆不确定此类事件发生的频率。它们可能主要发生在太阳活动高峰期，此时太阳会喷出大量高能电子，并将这些粒子储存在内带中。

研究人员希望更好地了解这些事件，以便能够预测它们何时可能发生，从而可能有助于确保轨道上的人员和电子设备的安全。

而费兰德则很感激有机会研究这些壮丽的风暴。

他说道：“直到做这个项目我才意识到我有多么喜欢研究。”

这项新研究的其他合著者包括科罗拉多大学博尔德分校安和HJ斯米德航空航天工程科学系副教授罗伯特·马歇尔(RobertMarshall)、波士顿大学的龙志甘(LongzhiGan)、约翰霍普金斯大学应用物理实验室的MykhayloShumko和航空航天公司的马克·卢珀(MarkLooper)。

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