編譯 高斯寒

2017年標(biāo)志著太空時(shí)代開(kāi)啟60周年。1957年10月4日那天，我們星球上的第一顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克1號(hào)”（Sputnik 1，其中Sputnik是俄語(yǔ)中表示“同行者”的單詞）由蘇聯(lián)發(fā)射進(jìn)入近地軌道。盡管它比一個(gè)無(wú)線電信標(biāo)好不到哪兒去，它仍然向全世界展示：處于冷戰(zhàn)軍火庫(kù)核心的洲際彈道導(dǎo)彈還能把衛(wèi)星送入太空。僅僅一個(gè)月后，在11月3日，蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)射了一個(gè)大得多、也更加復(fù)雜的航天器——斯普特尼克2號(hào)，它是人類送進(jìn)太空軌道的第二顆衛(wèi)星，也是第一顆搭載了活體動(dòng)物的人造衛(wèi)星；圖1中拍攝的是一個(gè)衛(wèi)星模型，由一個(gè)玩偶充當(dāng)動(dòng)物的替身。衛(wèi)星發(fā)射的時(shí)間是故意這么安排的，為了剛好碰上十月革命40周年紀(jì)念的前夕；蘇聯(lián)領(lǐng)導(dǎo)人喜愛(ài)用“勞動(dòng)”成果來(lái)慶祝節(jié)日。

除了斯普特尼克2號(hào)上的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，蘇聯(lián)科學(xué)家在莫斯科國(guó)立大學(xué)的謝爾蓋·韋爾諾夫（Sergei Vernov）領(lǐng)導(dǎo)下，將一根蓋革-繆勒管放在衛(wèi)星上，測(cè)量衛(wèi)星遭遇的輻射程度。在二戰(zhàn)之前的許多年里，韋爾諾夫已經(jīng)用建在地面上和由氣球攜帶的儀器來(lái)研究宇宙射線。所以對(duì)于他來(lái)說(shuō)，他自然想要搶在粒子與地球大氣層發(fā)生相互作用之前測(cè)量這些來(lái)自星系深處的原始宇宙射線粒子。

按照正式的說(shuō)法，斯普特尼克衛(wèi)星是在1957—1958年的國(guó)際地球物理年（IGY）框架內(nèi)發(fā)射的。就算是這樣，美國(guó)還是被蘇聯(lián)的成就震驚到了。兩顆蘇聯(lián)衛(wèi)星接連發(fā)射之后，美國(guó)陸軍彈道導(dǎo)彈署被告知，要用木星C火箭將一顆美國(guó)衛(wèi)星發(fā)射上天。木星C火箭是在美國(guó)陸軍紅石軍械廠的沃納·馮·布勞恩（Wernher von Braun）指導(dǎo)下誕生的。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的威廉·皮克林（William Pickering）率領(lǐng)下屬，努力地設(shè)計(jì)、建造和操控了衛(wèi)星——14公斤重、魚(yú)雷外形的“探險(xiǎn)者1號(hào)”衛(wèi)星。詹姆斯·范艾倫（James Van Allen）和他在艾奧瓦大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試了衛(wèi)星上安裝的輻射探測(cè)器。1958年1月31日，也就是斯普特尼克2號(hào)衛(wèi)星發(fā)射升空后的不到3個(gè)月，探險(xiǎn)者1號(hào)衛(wèi)星進(jìn)入了環(huán)地球軌道。

圖1 斯普特尼克2號(hào)是一個(gè)4米高、圓錐形的密封艙，1957年11月3日，由火箭將它發(fā)射進(jìn)入軌道，按照設(shè)計(jì)意圖，它會(huì)始終與火箭連接在一起。衛(wèi)星上有無(wú)線電發(fā)射器、遙測(cè)系統(tǒng)、蓋革計(jì)數(shù)器和用于內(nèi)艙的溫度控制系統(tǒng)，內(nèi)艙里攜帶著小狗萊卡。本圖中展示的模型目前陳列于位于莫斯科的理工科學(xué)博物館

像韋爾諾夫的團(tuán)隊(duì)一樣，范艾倫研究團(tuán)隊(duì)也在探險(xiǎn)者1號(hào)衛(wèi)星上安裝了蓋革-繆勒管。像韋爾諾夫一樣，范艾倫也在第一批美國(guó)衛(wèi)星的籌劃和發(fā)射之前的許多年里，在火箭和氣球的助力下研究宇宙輻射。那些先驅(qū)獲得的第一批測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析之后，確實(shí)顯現(xiàn)出重大意義。沒(méi)人預(yù)測(cè)過(guò)地球輻射帶的存在，而地球輻射帶就是被地球磁場(chǎng)俘獲的高能粒子構(gòu)成的嵌套環(huán)面。輻射帶的發(fā)現(xiàn)預(yù)示了一門(mén)嶄新學(xué)科——空間物理學(xué)——的誕生。然而，這條發(fā)現(xiàn)之路困難重重，充滿戲劇性。

解讀的難題

當(dāng)韋爾諾夫與同事第一次看見(jiàn)斯普特尼克2號(hào)衛(wèi)星上獲得的數(shù)據(jù)時(shí)，他們注意到蓋革-繆勒管的計(jì)數(shù)率出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)。他們知道太陽(yáng)最近放射出小型耀斑，于是錯(cuò)誤地理解波動(dòng)，認(rèn)為它們是由于太陽(yáng)高能粒子的抵達(dá)而產(chǎn)生的。事實(shí)上，斯普特尼克2號(hào)衛(wèi)星對(duì)地球磁場(chǎng)所穿過(guò)的區(qū)域進(jìn)行了取樣，那些波動(dòng)是輻射帶存在的證據(jù)。問(wèn)題在于，當(dāng)航天器的彈道將它帶離蘇聯(lián)國(guó)境時(shí)，蘇聯(lián)科學(xué)家無(wú)法獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)。蘇聯(lián)科學(xué)中存在的全面保密性質(zhì)使得它不可能與其他那些在地面接收站拾取到衛(wèi)星傳送信號(hào)的國(guó)家進(jìn)行協(xié)商。澳大利亞科學(xué)家就在斯普特尼克2號(hào)衛(wèi)星在遠(yuǎn)地點(diǎn)掠過(guò)澳大利亞上空時(shí)記錄了衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，并要求獲得密碼，以便破譯那些數(shù)據(jù)。蘇聯(lián)人拒絕了。當(dāng)蘇聯(lián)人要求從澳大利亞人手上獲得數(shù)據(jù)時(shí)，澳大利亞人也拒絕了。蘇聯(lián)科學(xué)研究就是這樣受到“保密”的妨礙。

范艾倫與他的團(tuán)隊(duì)比韋爾諾夫和他的同事們更快地意識(shí)到，他們從探險(xiǎn)者1號(hào)衛(wèi)星上見(jiàn)到的東西是一種全新的自然現(xiàn)象。然而，早些時(shí)候，就連范艾倫也誤解了數(shù)據(jù)。在探險(xiǎn)者1號(hào)衛(wèi)星上升進(jìn)入太空的頭幾分鐘內(nèi)，衛(wèi)星上的蓋革-繆勒管計(jì)數(shù)器的表現(xiàn)是能夠理解的。但是，隨后的數(shù)據(jù)讓人困惑：有些階段的計(jì)數(shù)率與宇宙射線的預(yù)期值相吻合，其他階段的計(jì)數(shù)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)更高，然而在其他時(shí)候，計(jì)數(shù)率跌到了零。信號(hào)的頻繁遺失（以如今的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看，那時(shí)衛(wèi)星的電力傳送很弱）和計(jì)算衛(wèi)星軌道的困難使得對(duì)那些數(shù)據(jù)的理解進(jìn)一步復(fù)雜化。范艾倫最初以為他們探測(cè)到的是導(dǎo)致極光產(chǎn)生的低能粒子。

為何宇宙射線計(jì)數(shù)率會(huì)如此突然地下降，當(dāng)團(tuán)隊(duì)對(duì)此迷惑不解時(shí)，研究生卡爾·麥基爾韋恩（Carl McIlwain）指出，粒子通量也許在某些地方是如此之高，以至于使得蓋革-繆勒管進(jìn)入飽和狀態(tài)，這樣它就無(wú)法區(qū)分不連續(xù)的脈沖，會(huì)徹底停止計(jì)數(shù)。結(jié)果證明，這一領(lǐng)悟是關(guān)鍵所在，麥基爾韋恩在實(shí)驗(yàn)室里將一根蓋革-繆勒管原型暴露在強(qiáng)烈的X光源面前，確證了這種可能性。他和同事厄尼·雷（Ernie Ray）看見(jiàn)暴露實(shí)驗(yàn)的結(jié)果后，雷在范艾倫的房門(mén)上留下了這句如今成為名言的話——“太空是放射性的”。

圖2 詹姆斯·范艾倫（1914—2006；中間身著深色西服者）被他的團(tuán)隊(duì)成員圍攏，其中包括研究生卡爾·麥基爾韋恩（左一）與喬治·路德維格（右二），以及助理教授厄尼·雷（右一）。他們正在查看該研究團(tuán)隊(duì)在探險(xiǎn)者1號(hào)衛(wèi)星上安裝的蓋革-繆勒管所探測(cè)到的粒子通量數(shù)據(jù)

當(dāng)然，美國(guó)和蘇聯(lián)的研究人員都不相信太空是放射性的；這句話捕捉到了他們的興奮和堅(jiān)信，他們相信儀器工作正常。從探險(xiǎn)者1號(hào)和探險(xiǎn)者3號(hào)衛(wèi)星（這顆衛(wèi)星的發(fā)射是在研究人員于1958年4月做出開(kāi)創(chuàng)性的分析之前）上獲得的數(shù)據(jù)唯一可能的解釋就是，衛(wèi)星在某些軌道上遭遇到極高的粒子通量——這些通量起碼是預(yù)計(jì)從宇宙射線獲得的計(jì)數(shù)率的1 000倍。該年5月，范艾倫在美國(guó)地球物理聯(lián)盟的一次會(huì)議上宣布了這一發(fā)現(xiàn)。

內(nèi)側(cè)與外側(cè)

美國(guó)宣布這一發(fā)現(xiàn)的同一個(gè)月里，蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)射了斯普特尼克3號(hào)衛(wèi)星。衛(wèi)星有效載荷中包括了大型復(fù)雜的科學(xué)儀器，這些儀器允許蘇聯(lián)人以更多的空間細(xì)節(jié)來(lái)研究被俘獲在地球磁場(chǎng)的粒子的性質(zhì)。它也讓蘇聯(lián)人能夠探測(cè)與內(nèi)側(cè)高強(qiáng)度輻射區(qū)域相分離的外側(cè)輻射區(qū)的存在與否。直到后來(lái)，事情才變得清楚，原來(lái)這個(gè)缺口——或者以今日的用語(yǔ)，就是“槽區(qū)”——是一片沒(méi)有被俘獲粒子的區(qū)域，它將兩條迥然不同的輻射帶相分離：內(nèi)側(cè)輻射帶被高能質(zhì)子（通常有幾十MeV或者更高能量）支配，外側(cè)輻射帶主要由具能電子（通常為1～10 MeV）組成，每一種荷電粒子都經(jīng)由地球的磁層內(nèi)的不同物理過(guò)程而在本地受到加速。

在空間物理學(xué)家之中，許多年后出現(xiàn)了一個(gè)圈內(nèi)笑話：為什么美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了內(nèi)側(cè)輻射帶，而蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了外側(cè)輻射帶？原因完全可以理解。事情不可能翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)：在冷戰(zhàn)時(shí)期，存在著一片非軍事區(qū)，將美國(guó)人的內(nèi)側(cè)區(qū)域和蘇聯(lián)人的外側(cè)區(qū)域分隔開(kāi)！

實(shí)際上，因?yàn)樗蛊仗啬峥?號(hào)衛(wèi)星是從俄羅斯境內(nèi)的高緯度地區(qū)發(fā)射的，它的軌道很可能經(jīng)過(guò)部分外側(cè)輻射帶，外側(cè)輻射帶所處的高度差不多介于地球半徑的3到10倍之間；探險(xiǎn)者衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入的軌道更靠近赤道，會(huì)經(jīng)過(guò)高度較低的內(nèi)側(cè)輻射帶的部分區(qū)域，內(nèi)側(cè)輻射帶從地球大氣層上方向外延伸至大約為2.5倍地球半徑的地方。

正確地解釋了探險(xiǎn)者和斯普特尼克衛(wèi)星上獲得的數(shù)據(jù)后，科學(xué)家琢磨起輻射帶的起源。很明顯，宇宙射線本身具有太大的動(dòng)量，不可能被俘獲。蘇聯(lián)科學(xué)家韋爾諾夫和莫斯科國(guó)立大學(xué)的亞歷山大·列別金斯基（Alexander Lebedinsky）提出，當(dāng)宇宙射線轟擊地球大氣層時(shí)，它們可能發(fā)生能生成中子的核反應(yīng)，那些中子隨后衰變成電子和質(zhì)子，接著被地球的磁場(chǎng)俘獲。這種想法是第一種能解釋輻射帶性質(zhì)的物理模型。韋爾諾夫與列別金斯基在1958年7月公布了中子衰變機(jī)制，那僅僅是在輻射帶被人發(fā)現(xiàn)的數(shù)月之后。兩星期之后，美國(guó)科學(xué)家弗雷德·辛格（Fred Singer）獨(dú)立發(fā)布了一種相似機(jī)制的描述。

研究者隨后意識(shí)到，盡管中子衰變機(jī)制能夠解釋由穩(wěn)定俘獲的質(zhì)子構(gòu)成的內(nèi)側(cè)范艾倫輻射帶，被俘獲的電子構(gòu)成的外側(cè)輻射帶在徑向范圍、總體強(qiáng)度和能量范圍上要反復(fù)無(wú)常得多。外側(cè)輻射帶的那些性質(zhì)得看太陽(yáng)風(fēng)多么強(qiáng)勁地連續(xù)猛擊磁層，從而迫使電子加速和遷移。理解外側(cè)輻射帶的電子加速、遷移和損失變成了20世紀(jì)60年代和70年代輻射帶研究的主要目標(biāo)。

太空原子彈

甚至在20世紀(jì)50年代后期，在大家知道輻射帶自然存在之前，位于加州的原子能委員會(huì)下屬利佛摩實(shí)驗(yàn)室的研究人員推測(cè)，地球磁場(chǎng)可以限制高能電子的巨大通量。由尼古拉斯·克里斯托菲洛斯（Nicholas Christofilos）領(lǐng)導(dǎo)的研究人員暗示，假如那是真的，那么也許能建立起一道防御屏障，防范洲際彈道導(dǎo)彈的攻擊。利佛摩實(shí)驗(yàn)室的研究者提出，在高海拔地區(qū)引爆核武器，挾帶走地球周圍廣袤云團(tuán)中核裂變產(chǎn)生的電子。他們想象到，這種高強(qiáng)度輻射會(huì)讓任何可能在發(fā)射后穿過(guò)那些云團(tuán)的導(dǎo)彈失效。

范艾倫與他的研究團(tuán)隊(duì)幾乎立即被吸引進(jìn)入保密的太空核爆領(lǐng)域。大約在1958年5月，在美國(guó)的一系列低當(dāng)量、高空核試驗(yàn)之后，他和同事嘗試把自然輻射帶粒子與人類引發(fā)的粒子群理清。在1962年7月，美國(guó)的一顆威力極其強(qiáng)大——相當(dāng)于140萬(wàn)噸TNT的當(dāng)量——戰(zhàn)略性布置、代號(hào)為“海星至尊”的核武器在南太平洋的約翰斯頓島上空大約400千米處引爆。那次核爆以及3個(gè)月后蘇聯(lián)在地球大氣層外進(jìn)行的3次相似規(guī)模的核試驗(yàn)大大改變了內(nèi)側(cè)范艾倫輻射帶，在地磁場(chǎng)線上放置了高能電子，而且那些電子會(huì)在那兒待上好幾年。那些電子使得輻射帶對(duì)于衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度和不利性增強(qiáng)了至少100萬(wàn)倍。在1962年下半年到1963年初的時(shí)間段里，起碼有十來(lái)枚科學(xué)衛(wèi)星被強(qiáng)大的人造輻射損壞。有意思的是，在范艾倫發(fā)現(xiàn)輻射帶后的一段時(shí)間里，美國(guó)科學(xué)家還討論輻射帶是否有可能是早些時(shí)候蘇聯(lián)核爆的結(jié)果。

將探險(xiǎn)者1號(hào)衛(wèi)星模型舉過(guò)頭頂。皮克林、范艾倫與馮·布勞恩（從左至右）在1958年1月31日于美國(guó)國(guó)家科學(xué)院舉行的新聞發(fā)布會(huì)上，慶祝衛(wèi)星的成功發(fā)射

顯然，近地太空的生態(tài)有好些年都被20世紀(jì)60年代的軍事活動(dòng)改變了。然而，那些軍事活動(dòng)也充當(dāng)了基礎(chǔ)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，幫助科學(xué)家檢查他們的輻射俘獲模型。人造核爆也確證了這個(gè)想法——地球磁場(chǎng)內(nèi)部的新粒子的注入可以在地球周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的已俘獲粒子通量。

如今，我們知道除了宇宙射線，還有好幾種重要的物質(zhì)來(lái)源構(gòu)成了輻射帶。其中包括穿透磁層的太陽(yáng)漿體（solar plasma，或譯為“太陽(yáng)等離子體”“太陽(yáng)電漿”）以及在磁暴時(shí)被注入俘獲區(qū)的電離層粒子。其他一些更加奇異的來(lái)源包括在外太陽(yáng)系產(chǎn)生的所謂的“反常宇宙射線”。還有從木星磁層逃脫出來(lái)，沿著行星際磁場(chǎng)線，朝著地球而來(lái)的行星際物質(zhì)粒子。

在范艾倫與同事在美國(guó)所做的開(kāi)拓性工作以及蘇聯(lián)科學(xué)家在蘇聯(lián)進(jìn)行的研究工作之后，利用太空造福社會(huì)的興趣越來(lái)越濃郁。從20世紀(jì)50年代晚期到60年代初的僅僅數(shù)年內(nèi)，太空硬件從技術(shù)驗(yàn)證和科學(xué)好奇發(fā)展到實(shí)用的常規(guī)應(yīng)用。人造地球衛(wèi)星被發(fā)射后用于通訊、氣候觀測(cè)、地理定位、地球遙感、軍事偵察和數(shù)不勝數(shù)的其他用途。我們的星球事實(shí)上被各種航天器包圍著，這些航天器繞著地球周轉(zhuǎn)，軌道高低不一，最低的就在可感知大氣層之上，最高的在地球表面的幾萬(wàn)公里之上。因?yàn)閷?duì)那些衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，輻射帶構(gòu)成了最主要的空間天氣威脅，必須要弄懂輻射帶的詳細(xì)行為。過(guò)去的60年里，差不多每個(gè)太空衛(wèi)星都進(jìn)行了輻射帶測(cè)量，實(shí)際上所有實(shí)施過(guò)太空任務(wù)的國(guó)家都進(jìn)行過(guò)輻射帶測(cè)量。

從20世紀(jì)70年代后期直至90年代，諸如“綜合釋放與輻射效應(yīng)衛(wèi)星”和NASA的“太陽(yáng)反常現(xiàn)象及磁層粒子探測(cè)器”的航天器發(fā)現(xiàn)了令人入迷的多個(gè)實(shí)例，包括快粒子加速、大量粒子突然從輻射帶消失、太陽(yáng)引起的沖擊波撞擊到地球磁層而產(chǎn)生的高能事件（大于10 MeV）。到21世紀(jì)初，情況變得清晰，需要有新穎、先進(jìn)的衛(wèi)星任務(wù)來(lái)解開(kāi)那些現(xiàn)象（以及其他現(xiàn)象）帶來(lái)的謎團(tuán)。

近期的任務(wù)

2012年，NASA發(fā)射了兩臺(tái)“輻射帶風(fēng)暴探測(cè)器”。這些探測(cè)器后來(lái)被重新命名為“范艾倫探測(cè)器”，這兩臺(tái)航天器的設(shè)計(jì)目的是為了探索輻射環(huán)境的空間結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特征。幾乎就在發(fā)射之后，衛(wèi)星上的儀器發(fā)現(xiàn)了一種全新的現(xiàn)象：第3種截然不同的高能粒子群的存在——實(shí)質(zhì)上，就是第3條輻射帶。最近發(fā)現(xiàn)的超相對(duì)論性電子區(qū)域已經(jīng)激起了觀測(cè)者和理論物理學(xué)家的興趣。20世紀(jì)70年代的航天任務(wù)中，蘇聯(lián)衛(wèi)星和其他衛(wèi)星已經(jīng)在兩條主要輻射帶之間的槽區(qū)探測(cè)到相對(duì)論性電子，但范艾倫探測(cè)器第一次提供了完整詳細(xì)的空間圖形。這兩個(gè)在磁暴時(shí)飛行于槽區(qū)的衛(wèi)星所發(fā)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)特征已經(jīng)揭示了高能粒子是如何加速和突然從輻射帶消失的。

范艾倫探測(cè)器開(kāi)始收集數(shù)據(jù)的兩年后，俄羅斯發(fā)射了一顆名叫“韋爾諾夫”的衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星現(xiàn)在也在研究第3條輻射帶，已經(jīng)闡明這一現(xiàn)象的一些細(xì)節(jié)。俄羅斯、美國(guó)和其他國(guó)家近期發(fā)射的航天器甚至已經(jīng)發(fā)現(xiàn)地球輻射帶的更多特征，譬如有一條十分明顯的屏障阻擋了荷電粒子從外側(cè)輻射帶到內(nèi)側(cè)輻射帶的運(yùn)動(dòng)，極高能質(zhì)子群的變化以及調(diào)節(jié)輻射帶粒子流動(dòng)的電場(chǎng)的存在。

在2016年的4和12月，兩顆新衛(wèi)星——日本的Arase衛(wèi)星和俄羅斯的羅蒙諾索夫衛(wèi)星——發(fā)射升空，繼續(xù)太空環(huán)境研究。羅蒙諾索夫衛(wèi)星以莫斯科國(guó)立大學(xué)的創(chuàng)建者米哈伊爾·羅蒙諾索夫的姓來(lái)命名，是莫斯科國(guó)立大學(xué)的科學(xué)家們啟動(dòng)和發(fā)射的一系列衛(wèi)星的最新一顆，而這系列衛(wèi)星的起始點(diǎn)就是韋爾諾夫在斯普特尼克2號(hào)衛(wèi)星上的研究工作。近期看來(lái)，莫斯科國(guó)立大學(xué)（或者十多家其他研究所和太空探索機(jī)構(gòu)）對(duì)這些研究的興趣和參與不太可能會(huì)衰退。在我們的太陽(yáng)系內(nèi)的每一顆磁化行星周圍都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了輻射帶特征。