在意想不到的地方，发现高能电子暴

每时每刻，数万亿带电粒子在我们头顶疾驰而过。这些粒子主要是质子和电子，是物质的基本组成部分。它们以接近光速的速度运动，通常被地球磁场束缚在距离地球数千千米的高空。

然而，某些偶发事件会迫使它们偏离原本的轨迹，使带电粒子如同雨点般坠入地球大气层。这些高能粒子构成了近地空间的一个强烈辐射区，即范艾伦辐射带，或称地球辐射带。‍‍‍‍

磁场线（青色细线）环绕地球，束缚了带电粒子（黄色细线）。（图/UCLA EPSS/NASA SVS）

地球辐射带主要由内辐射带和外辐射带两个区域组成。一直以来，科学家认为，内辐射带距地球约1000千米，主要由电子和高能质子组成，具有较高的稳定性；而外辐射带则距离地球更远，主要由高能电子组成，结构高度动态，可随太阳活动的变化在短时间内剧烈波动。

然而，发表在《自然·通讯》杂志的一项研究通过观测地球辐射带，得出了一项出人意料的结论，促使科学家重新审视对地球内辐射带的认知。

意外的发现

在这项研究中，研究人员原本计划寻找从外辐射带快速（亚秒级）降落到大气层的高能电子。过去的理论认为，一种被称为“哨声模式合声波”（whistler-mode waves）的电磁波可以扰动这些电子，使其偏离原有轨道并坠入大气层。

为了搜索此类事件，研究团队利用算法分析了太阳异常性/磁层粒子探索器（SAMPEX）数十来年收集的数据。然而，结果却令人费解——许多高能电子的位置与预期不符——它们并非位于外辐射带，而是位于内辐射带。

这一发现令人疑惑，原因有二：首先，哨声模式合声波在内辐射带并不常见；其次，过去的研究表明，内辐射带中不应存在如此高能的电子。这是否有意味着尚未被识别的机制在起作用？‍

在进一步的分析中，研究人员发现，从1996年到2006年，内辐射带中出现了45次高能电子暴。这表明，内辐射带确实偶尔会充满高能电子。然而，这些时间的发生频率及其具体触发条件仍不明确。

由于这些高能电子可能损坏航天器并危及太空人员，科学家们迫切需要弄清它们的来源，以便更好地设计航天器防护措施。

罪魁祸首：闪电

研究人员提出了一种新的假设——这些高能电子的来源，可能与地球大气层本身有关。

闪电是雷暴期间的一种强烈的电磁放电现象，能在天空中产生耀眼的光芒，同时释放出电磁波，其中包括被称为“闪电哨声”（lightning-generated whistlers）的特殊波形。这些波可以穿越大气层进入太空，与内辐射带中的电子相互作用，就像哨声模式合声波影响外辐射带电子一样。

为了验证这一假设，研究团队将这些电子暴事件与全球雷暴数据进行比对，结果发现，一些电子暴确实与闪电活动相关，但并非所有情况都能用此解释。进一步分析表明，只有在地磁风暴（geomagnetic storms）之后发生的闪电，才会导致电子暴的释放。

研究人员认为，事情的经过是这样的：雷击之后，地磁风暴在太空中引发了一种“电子弹球游戏”，它们与内辐射带的电子碰撞，然后这些电子开始在地球的南北半球之间来回弹跳，每次往返只需0.2秒。随着电子不断反弹，一部分电子会脱离辐射带，进入地球大气层。

换言之，是地球天气（闪电）和太空天气（地磁风暴）的相互作用，共同塑造了这些高能电子的特性。太阳活动使辐射带充满高能电子，而闪电随后触发这些电子坠入大气层，形成观测到的电子暴。

太空天气的影响

地磁风暴是近地空间环境的剧烈扰动，通常由太阳表面的剧烈喷发所触发。如果这些太阳活动正对地球方向喷发，就会导致一系列“太空天气”现象。太空天气不仅能产生壮观的极光，还可能扰乱卫星、无线电通信，甚至影响地面电网的稳定运行。

新研究表明，太阳活动、地球磁场与雷暴之间的复杂互动，共同决定了高能电子在近地轨道中的分布模式。研究人员希望进一步研究这些电子暴的发生机制，以便提高预测能力，进而加强航天器和太空人员的安全防护措施。

这一发现不仅揭示了地球与太空之间的深层联系，也再次印证了科学发现的非线性特征——许多突破性的认知，往往源于对偶然现象的深入探索。

#参考来源：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-53036-4

https://theconversation.com/lightning-strikes-link-weather-on-earth-and-weather-in-space-243772

https://www.colorado.edu/today/2024/10/10/lightning-strikes-kick-game-electron-pinball-space

https://physicsworld.com/a/lightning-sets-off-bursts-of-high-energy-electrons-in-earths-inner-radiation-belt/

#图片来源：

封面图：首图：jplenio / Pixabay