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中国科学家发现地球辐射带高能电子的超快速沉降机制,全新理论在磁层物理中具有极大普适性

2022-04-26 16:29     来源:科技评论     宇宙射线

“看,宇宙的奥秘有时就是这么的有趣。那些粒子正如狂风暴雨,而我们也可以如苏子一般,莫听穿林打叶声,何妨吟啸且徐行。此中有真意。”很难想象这样一段话出自一位空间物理学家之口,在加州大学洛杉矶分校地球&行星和空间科学系担任副研究员的张晓佳,主要研究空间物理学。在她眼中,宇宙竟是如此浪漫。

图 | 张晓佳(来源:张晓佳)

3 月 25 日,其担任一作兼通讯作者的论文,以《地球辐射带中高能电子的超快速沉降》(Superfast precipitation of energetic electrons in the radiation belts of the Earth)为题发表在 Nature Communications 上[1]。

图 | 相关论文(来源:Nature Communications)

你来人间一趟,你要看看太阳

该工作大的背景是基于地球磁层中的辐射带。当人们仰望天空时感慨“醉后不知天在水,满船清梦压星河“,抑或“你来人间一趟,你要看看太阳”,并不完全清楚的是,地球事实上处在一个非常危险而多变的太阳系中。

太阳作为地球的能量源,不但带来光明和温度,也带来了大量高能带电粒子。而人类能栖居于地球的一个重要原因就是:地球独特的大气层保护地表免于直接遭受太阳的光和粒子辐射。而张晓佳关注的辐射带,正是地球俘获太阳粒子的一个区域。

从物理构成来讲, 辐射带由被地球磁场捕获的高能粒子组成。太阳作为地球的能量源,辐射出大量的带电粒子。这些粒子与地球中高层大气相互作用形成的带电粒子,可以被地球磁场捕获,沿地球磁场磁力线做螺旋形运动,同时辐射电磁波,形成高能带电粒子的富集区。

从形态上看,辐射带虽然充满大量高能且危险的粒子,但却有着两个颜色美丽的“甜甜圈”状的区域。其中,内辐射带通常位于 0.2-1 倍地球半径高度,主要由高能质子组成;外辐射带,通常位于 3-6 倍地球半径高度,主要由高能电子组成。内辐射带相对比较稳定,但外辐射带会因各种空间天气现象比如地磁风暴和亚暴而变化,从而在空间区域相应的膨胀或者缩小,造成高能粒子通量增强或减弱。

如果以时间为轴,范艾伦辐射带是基于美国的第一颗人造卫星探索者 1 号的观测,由美国物理学家詹姆斯·范艾伦(Van Allen, James Alfred)于 1958 年发现并以他的名字命名。在探索者 1 号上,范艾伦使用的宇宙射线探测器非常简单, 只是一个盖革计数器(一种检测辐射的仪器)和一个磁带存储器。

辐射带的发现,衍生出磁层物理这一全新的研究领域。而后一甲子之间,全球共有 20 多个国家的不计其数的科学家从事该领域的研究。而中国虽然起步略晚,却也涌现出了大批国际知名的学者。比如,近年来北京大学地球与空间科学学院教授宗秋刚团队关于杀手电子的研究成果,是辐射带领域的里程碑。虽然人类对于宇宙和地球的了解只是沧海一粟,但是正是对未知的好奇,引领一代又一代的科学工作者为之努力。

莫听穿林打叶声,何妨吟啸且徐行

一言蔽之,辐射带中的高能粒子直接危害着空间卫星和航天员的安全和健康。由于辐射带占据广泛的空间区域,目前全球共有 800 多个通讯和导航卫星位于辐射带范围内,所以这些高能粒子对于卫星正常运行的影响不容小觑。另外,高能粒子辐射对于航天员更是有着直接的健康危害。这也是为何辐射带研究,一直是地球磁层物理的重中之重。

除了对卫星和航天员的直接危害,辐射带中的粒子还可以激发出各种等离子体波动。这些等离子体波类似于空气中的声波,只是由空间中的带电粒子组成从而传播,而非空气。辐射带中一种重要的波动叫做哨声波。顾名思义,这种波动如果转化成声波,听起来像是口哨声。

但其实哨声波本身的频段并不能被我们人类直接感知,不过可以转化成声波被我们听到 [2],从而提供给公众更直观的感知空间等离子体的方式。经对比发现,基于声音和图像的研究能帮助科学家们更有效的提取数据中的更多信息。以下视频便是此次研究中哨声波的声音。

此次,张晓佳的工作是关于辐射带中高能粒子动态的重要一环:粒子沉降。受地磁场影响,辐射带中的粒子,以类似于彩虹圈的轨迹运行于地球的南北两极之间。在某些特定的条件下,磁场中的哨声波可以与这些电子产生共振,从而导致它们的运动轨迹被延伸到地球高层大气中。与高层大气的不断碰撞导致这些电子的能量被吸收(即电子沉降或“电子雨”),并激发大气层中的发光现象,这就是我们熟知的极光 (如图 1 所示)。

结合 ELFIN 小卫星和 NASA THEMIS 卫星(如图 2 所示),她发现了辐射带电子沉降的新机制:哨声波可以加速辐射带中的电子从而导致更快更强的电子雨(超快电子雨,或许可称之为倾盆大雨),直接影响大气层的化学成分和低空在轨卫星的安全。目前的空间天气模型并没有包含这一机制,从而可能影响辐射带预报的准确度。

说到这里,可以把辐射带试想成一个大水库,只是存满了高能粒子而非水。类似于水库,这些高能粒子承载了巨大的能量。当水流量过大,水库里的水会从泄洪口溢出从而预防水灾。当哨声波在水库中传播时,它们会在水库里激起水浪,使更多的水更快地从水库中泻出。这一额外的泄洪机制能更有效的安全控制水库中的能量,同时也为下游(地球大气层)提供更多的能量输入。

图 1 | 辐射带中电子螺旋运行于南北极之间。空间等离子波可以改变电子运行轨迹,使得它们沉降到两极(我们称之为“电子雨”),从而激发极光(来源:Emmanuel Masongsong (UCLA).)

图 2 | THEMIS 和 ELFIN 卫星(轨道分别由近赤道的青色和高纬的绿色曲线示意)数据共同揭示了超快电子雨的物理机制。当哨声波(紫色阴影区域)与辐射带电子(沿蓝色螺旋轨道运行)产生共振作用时,哨声波加速这些电子(红色螺旋轨道),从而导致它们更快的降落到大气层中(来源:Zhang et al., 2022. [1])

对于该成果,审稿人评价称:“该工作通过首个高精度粒子沉降数据展示了辐射带粒子沉降的全新特性,两位审稿人一致认为该工作是具有创新性的重要结果。”“其中验证的关于等离子体波动导致带电粒子沉降的新理论,由于哨声波的广泛存在范围,在磁层物理中具有极大的普适性。”“这一工作也将开启辐射带研究的新方向,推动新一代辐射带模型的进展。

为有牺牲多壮志,敢教日月换新天

张晓佳表示:“‘为有牺牲多壮志,敢教日月换新天’,这是我最喜欢的主席诗句,也是中国第一代航天人的真实写照。诚惶诚恐地在这里引用,是因为我们以本科学生为主体去设计、制造、运行卫星,有种像当年第一代航天人敢上九天揽月的伟大壮举学习的意思。”

而此次工作最主要的成功正来自于加州大学洛杉矶分校自制的小型卫星,它的名字叫 ELFIN(Electron Losses and Fields Investigation),其包含一双 3U+ CubeSat、尺寸为 10cmx10cmx30cm、重约 3.5 公斤。

ELFIN 是首个由该校学生(大部分是本科生,外加少部分研究生)自己制造和运行的卫星计划,同时由少部分工程师和教职员工辅助。ELFIN 弥补了目前空间探测通常缺失的重要一个部分:高能电子沉降的高精度直接观测。历经近 10 年的卫星构思、原型制作、立项、仪器设计测试、卫星组装,ELFIN 终于由 2018 年 9 月发射进入低空轨道(离地面高度大概 450 千米)。

类似于其他实验物理学科,此次研究的主要精力用于数据校正。从 ELFIN 计划开始,迄今已有大于 300 个学生参与并贡献了大量的时间和精力到流程化卫星操控、数据下行和处理。虽然通过最初的数据,很早就确认了仪器运行正常,这也是最激动人心的时刻。但张晓佳和同事仍然花费了近一年的时间进行漫长并单调的数据校正。

从中,他们学到的重要一课就是要标准化数据格式和分析软件。对比空间物理的开端,目前的研究早已不再掣肘于数据匮乏,更多的是可能迷失于扑面而来的大量不同格式/精度的数据。所以,除却进一步推动探测仪器的精准度,张晓佳认为空间科学领域的未来应同时着重数据格式的标准化,从而节省大量用于数据清理的时间和精力,以便整个行业更高效的分析探测数据。

完成 ELFIN 数据校正之后,第一个吸引研究人员眼球的就是数据中频繁出现的粒子沉降新特性,也就是此次工作中发表的内容。按之前常规的理论预测,这一数据基本可以被当作“非正常”数据。但经过反复校准,并且与其他卫星数据对比,他们逐步确认了这些数据的可信性,并通过查看等离子体波动数据提出了一个大胆的解释:也许这些数据是由一种全新的物理机制造成的,所谓的不正常也只是因为这一机制目前尚未包含在常规物理模型中。基于这个猜想,再加上大量的事件分析、以及已有的粒子模拟模型,最终他们得以验证这个猜想,并得到了审稿人和编辑的帮助发表了这一论文成果。

“这一研究的成功离不开上述任何一步作为基石,在此也感谢 ELFIN 和 THEMIS 团队所有工作者为此次工作提供的高质量数据支持。”张晓佳表示。

如上所述,此次研究结果目前并未包含在被辐射带模型中。鉴于这些高能电子能直接影响大气层化学成分(进而造成臭氧层破坏),因此该工作对于准确预报辐射带动态、以及磁层对高层大气的影响至关重要。

不同能量的电子雨可以落到不同高度的大气层:能量越高的电子可以降落到更低的高度。相比于造成极光的电子,高能电子可以降落到中间层甚至高平流层大气,从而改变大气层化学成分,生成臭氧消耗的催化剂。

但由于缺少直接的高能电子沉降数据,目前的臭氧损失模型并不能准确的模拟这一效应。ELFIN 的数据首次提供了高精度的沉降数据,从而为高能粒子沉降对于臭氧层破坏效应的模型提供了关键的输入参数。

在下一步计划中,张晓佳将基于本次研究去开展新的小型卫星(CubeSat)计划。她说:“我们给她起了一个美丽的名字:女公爵 DUCHESS(DUcted CHorus Electron Scattering Satellite)。这个新的卫星计划将在 ELFIN 的基础上,进一步解决另外一个辐射带研究的谜题:电子雨是在哪里被激发的?当然这听起来也只是空间物理领域目前的遗留问题之一,但对于空间探测而言,除了提供辐射带高能电子动态的持续监控,DUCHESS 还将弥补目前高纬等离子体波动探测的空缺,从而解释更高能电子雨的沉降机制。”

近年来,现代科技的进步推动了空间探测包括深空探测领域的迅速发展,其中小型卫星更是如雨后春笋般快速涌现。鉴于小型卫星的低成本和短周期(从立项到完成数据采集只需 5 年左右),它们越来越普遍地被应用于空间物理的研究中,而且也更适合于大规模生产。

所以在张晓佳看来,小型卫星势必成为近期近地空间探测的重要载体,其后续工作也将致力于推动这一领域的不断进步,特别是适用于小型卫星仪器的成熟化和在轨飞行测试。

图 | 张晓佳(来源:张晓佳)

她表示:“爱因斯坦曾说过,想象力比知识更重要。我们的研究经历很好的例证了这一点:我们不仅直接验证了理论最前沿的预期,并且解释了我们最初看到这些‘非正常’数据的困惑。相较于其他物理学科,空间物理目前仍是个比较年轻的学科,相应的也会提供给科学工作者们更大的空间和自由去猜想。一旦被观测验证,这些发现将带给我们更大的成就感,更快的推动整个行业的发展。所以,诚挚欢迎有此志向的年轻人投身于空间物理领域。”

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