2024年超级磁暴期间，地球辐射带的“不可穿透屏障”失效。日本卫星发现，高能电子在屏障内部被直接加速，数量激增，揭示了新的空间辐射风险。
地球的天然辐射屏障，原来并非不可突破
从太空看，地球似乎孤独地悬浮在黑暗中。但实际上，地球周围存在两个巨大的环形区域，里面充满被磁场束缚的高能带电粒子。这就是范艾伦辐射带。
外辐射带主要包含受到太阳活动影响的高能电子，内辐射带则含有大量来自宇宙射线与大气相互作用过程的质子。
其中，一种接近光速的超相对论电子尤其危险。它们被称为“杀手电子”，能够穿透卫星防护层，损坏敏感电子设备，缩短航天器寿命，也会增加宇航员遭受辐射的风险。
2014年，NASA的范艾伦探测器发现一个奇特现象：距离地心约3个地球半径的位置，存在一道非常清晰的边界，能量极高的电子几乎无法继续向内移动。
科学家将它称为“不可穿透屏障”。
当时的一种解释认为，地球周围冷等离子体区域中的电磁波会扰乱高能电子的运动轨道，使它们落入大气层。加上电子向内迁移的速度较慢，两者共同构成一道天然防线。
不过，后续研究逐渐发现，这道屏障并不绝对。2018年有科学家提出，所谓屏障可能只是磁暴持续时间有限造成的表象。2024年的另一项研究还发现，闪电产生的电磁波能够影响已经存在于内辐射带的高能电子。
真正的突破发生在2024年5月。
一场超级磁暴，让高能电子数量暴增5000倍
2024年5月，太阳连续爆发耀斑和日冕物质抛射，大量磁化等离子体冲向地球，引发最高级别的G5级地磁暴。
这场风暴严重侵蚀了地球周围的等离子层，使其中的冷等离子体密度大幅下降。
这种变化创造了特殊环境，让一种称为合声波(chorus waves)的电磁波异常活跃。
名古屋大学空间物理学家Yoshizumi Miyoshi解释，如果把这种电磁波转换成声音，听起来就像鸟鸣。
不同于通常会使高能电子散射、逃离原有轨道的电磁波，合声波能够与电子发生共振，将它们加速到极高能量。
研究团队分析了日本Arase卫星自2017年以来的观测数据，发现2024年5月磁暴恢复期间，原本受到屏障保护的区域内部，出现了大量超相对论电子。
能量约为300万电子伏特的电子，其通量相较磁暴前增加了超过5000倍。
更重要的是，不同能量电子的增加并非同时发生。
首先出现的是能量较低的电子。约半天后，更高能量的电子开始增多。大约1天后，能量超过300万电子伏特的电子也显著增加。
这种循序渐进的变化意味着，电子可能不是简单地从外辐射带被搬运进来，而是在屏障内部逐步获得能量。
研究人员还发现，在对应屏障边界的区域附近，电子的相空间密度形成了明显的局部峰值。
如果电子只是从外部向内输运，很难单独解释这种不断增强的局部峰值。它更符合电子先在当地被加速，再向内外两个方向扩散的过程。
发现有助于预测未来的空间辐射风险
研究结果揭示了一种此前缺乏直接观测证据的机制。
超级磁暴首先侵蚀地球等离子层，使冷等离子体密度降低。随后，异常活跃的合声波与电子发生相互作用，将它们加速至数百万电子伏特，并在原本被认为难以进入的区域内部形成新的高能电子群。
而且，这种变化并没有随着磁暴结束而迅速消失。
Arase卫星持续观测到超相对论电子数量逐渐下降，直到2024年10月另一场强烈磁暴发生。
这说明地球近邻空间的辐射环境远比表面看起来复杂。过去被认为能够阻挡危险电子的天然屏障，在极端空间天气下也可能失去原有作用。
不过，研究尚未完全确定局部加速、径向输运和粒子散射各自的贡献比例，仍需进一步建模验证。
Yoshizumi Miyoshi表示，这项发现凸显了理解和预测极端空间天气下高能电子行为的重要性。
对于人类而言，这不仅意味着需要重新认识地球辐射带的运行机制，也关系到未来卫星防护设计、航天器辐射风险评估和空间天气预报的准确性。
原文：https://www.sciencealert.com/earths-supposedly-impenetrable-radiation-barrier-has-been-breached