大规模太阳风暴释放出神秘的新辐射带

2024年5月的一场猛烈太阳风暴不仅破坏了全球定位系统（GPS），还创造了两个新的辐射带。 一颗复活的立方体卫星捕捉到了这一罕见事件，揭示了空间天气史上首次出现的质子辐射带。虽然在过去的太阳风暴之后也出现过类似的辐射带，但这些辐射带持续的时间要长得多，尤其是新的质子带。这一发现对于前往地球静止轨道的航天器来说意义重大，因为穿过这些辐射带会给航天器系统带来风险。

2024 年 5 月的太阳风暴产生了两个额外的辐射带，夹在两个永久性范艾伦辐射带之间。 其中一个新的辐射带（如图中紫色部分所示）包含了大量质子，使其具有了以前从未见过的独特成分。 资料来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心/约翰霍普金斯大学应用物理实验室

2024 年 5 月，地球经历了二十年来最强烈的太阳风暴。 一连几天，来自太阳的强烈带电粒子波轰击地球，耀眼的极光照亮了天空，并短暂中断了一些 GPS 通信。

科学家们现在发现，这场太阳风暴不仅制造了一场壮观的光影秀，还在地球周围形成了两个新的临时辐射带。 这一意外发现是由一颗意外复活的美国国家航空航天局（NASA）卫星促成的，它可以为未来太阳风暴如何影响技术提供有价值的见解。

这些新形成的辐射带出现在两个永久性的范艾伦辐射带之间，这两个辐射带就像赤道上方的同心环一样环绕着地球。 范艾伦辐射带由被地球磁场困住的高能电子和质子组成，对航天器和宇航员都构成威胁。 了解这些辐射带的演变过程对于确保太空旅行安全至关重要。

这一发现是利用美国国家航空航天局（NASA）的科罗拉多内辐射带实验（CIRBE）卫星完成的，并于2025年2月6日发表在《地球物理研究杂志》（Journal of Geophysical Research）上： 空间物理学》上发表。 这一突破对于驶入地球静止轨道的航天器来说意义尤其重大，因为它们必须多次穿过范艾伦带才能到达最终目的地。

艺术家绘制的范艾伦探测器插图。 资料来源：APL

以前曾在大太阳风暴之后探测到过临时太阳带。 但是，以前的带子主要由电子组成，而这两个新带子的最内层还包括高能质子。 这种独特的构成很可能是由于太阳风暴的强度和构成造成的。

论文第一作者、科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室（LASP）和航空航天工程科学系教授李新林说："当我们比较风暴前后的数据时，我说：'哇，这真是个新东西'。这真是令人惊叹"。

新传送带的寿命似乎也比以前的传送带要长得多。 以前的临时带持续了大约四周，而主要由电子组成的新带则持续了三个多月。 另一个带子也包括质子，它比电子带持续的时间要长得多，因为它处于一个更稳定的区域，不容易受到物理过程的影响而使粒子脱离轨道。 今天，它很可能还在那里。

NASA范艾伦探测器的前任务科学家、马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心的研究科学家大卫-西贝克（David Sibeck）说："这些是真正的高能电子和质子，它们已经进入了地球内部的磁场环境，有些可能会在这个地方停留很长一段时间"。

这些带子能停留多久取决于经过的太阳风暴。 大风暴可以提供能量，将这些电子带中的粒子撞出轨道，使它们旋入太空或坠落地球。 6 月底的一次风暴大大缩小了新电子带的规模，8 月份的另一次风暴几乎抹去了电子带的剩余部分，但仍有一小部分高能电子幸存下来。

发射前实验室中的 CIRBE 立方体卫星。 CIRBE 由科罗拉多大学博尔德分校的 LASP 设计和制造。 资料来源：Xinlin Li/LASP/CU Boulder

这颗立方体卫星只有鞋盒大小，从2023年4月到2024年10月在低地球轨道上环绕地球磁极运行。 CIRBE卫星搭载了一个名为相对论电子质子望远镜集成小实验-2（REPTile-2）的仪器，它是美国国家航空航天局范艾伦探测器上搭载的仪器的小型化升级版，该探测器于2013年首次发现了临时电子带。

在太空飞行一年后，立方体卫星出现异常，于2024年4月15日意外静止。 科学家们失望地错过了五月份的太阳风暴，但还是依靠其他航天器提供了一些关于电子带的初步数据。 幸运的是，6 月 15 日，航天器恢复了活力，重新开始测量。 这些数据提供了其他仪器无法收集到的高分辨率信息，让科学家们得以了解新电子带的规模。

李说："一旦我们恢复测量，我们就能看到新的电子带，这在其他航天器的数据中是看不到的。"

让立方体卫星在轨道上测量太阳风暴的影响是苦乐参半的。 虽然它提供了测量如此大事件影响的机会，但太阳风暴也增加了立方体卫星受到的大气阻力，导致其轨道过早缩短。 结果，立方体卫星于 2024 年 10 月脱离轨道。 不过，航天器的数据让这一切都值得了。李说："我们的小型立方体卫星能有这样的发现，我们感到非常自豪。"

编译自/ScitechDaily