電子被環(huán)繞地球的一個(gè)無限循環(huán)的環(huán)捕獲了范艾倫帶上的等離子體密度為何劇烈下降？有哪些影響？會(huì)把電子加速至接近光速？

這是范艾倫帶的一幅示意圖，灰色的是極端相對(duì)論性電子的軌跡。醒目的彩色圓圈是必須穿過太空中這一電磁危險(xiǎn)區(qū)域的衛(wèi)星的軌道。

圖片版權(quán)：英戈 米凱利斯(Ingo Michaelis)、尤里 施普里茨(Yuri Shprits)，德國波茨坦地學(xué)研究中心(GFZ)

在一場恰好的太陽風(fēng)暴的漩渦中，電子可能會(huì)在地球附近被捕獲，在地球附近電子可能被加速至接近光速。電子因在等離子體波上滑行而具有了能量，等離子體是一種劇熱帶電的氣狀物質(zhì)，在太陽風(fēng)暴期間它被太陽發(fā)射了出來。依據(jù)來自德國波茨坦地學(xué)研究中心的研究者的一項(xiàng)新研究，只有當(dāng)?shù)入x子體的密度較低時(shí)，電子才能被加速至接近光速。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)意義重大，因?yàn)殡娮拥囊苿?dòng)速度很快，這對(duì)于人造衛(wèi)星和其他電子設(shè)備尤其危險(xiǎn)。它們能穿透衛(wèi)星用來隔絕太陽風(fēng)暴中其他帶電粒子的防護(hù)，損壞敏感元件。

這種現(xiàn)象發(fā)生在里外兩條范艾倫輻射帶中，它們是地磁場捕獲的帶電粒子形成的一種圓餅形的繞地球的環(huán)。里層的輻射帶在地球上空大約400英里（640千米）處，外層的輻射帶延伸到了36,000英里（58,000千米）以外，保護(hù)我們的星球免受由太陽產(chǎn)生的帶電粒子的影響。但是它們也以一種我們?nèi)圆煌耆斫獾姆绞脚c太陽風(fēng)暴發(fā)生反應(yīng)。2012年美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射了兩艘范艾倫帶探測器探測地球臨近空間的這一神秘區(qū)域。探測器探測了擁有“極端相對(duì)論性能量”的電子，即接近光速移動(dòng)的電子。

范艾倫探測器展開隔板臂的照片（圖源：NASA）

研究者仍然不確定電子如何變得這么活躍的。有的人認(rèn)為電子的加速分兩個(gè)階段，第一階段

發(fā)生在外層輻射帶的外側(cè)，第二階段則在更深的部分。但是來自探測器的新數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)不需要兩個(gè)階段的加速。取而代之的是，在一場太陽風(fēng)暴中，電子的速度與它所處環(huán)境：等離子體的密度等級(jí)息息相關(guān)。

“這項(xiàng)研究說明，如果地球輻射帶的電子所處等離子體環(huán)境的條件——等離子體波以及等離子體暫時(shí)的低密度是合適的，它就能被迅速地局部加速至擁有極端相對(duì)論性能量?！?，研究的共同作者，德國波茨坦地學(xué)研究中心的一名空間物理學(xué)家，尤里 施普里茨在一段發(fā)言中表示。

通常，范艾倫帶內(nèi)的等離子體密度在50個(gè)粒子每立方厘米到100個(gè)粒子每立方厘米之間。但是當(dāng)密度降低到10個(gè)粒子每立方厘米以下時(shí)，電子就能從被稱為“合唱波”(chorus waves)的電磁波中吸收能量，將它們的動(dòng)能從幾十萬電子伏特躍增至700萬電子伏特。相比之下，歐洲核子研究組織（CERN）使用的線形加速器直到2020年才把質(zhì)子加速到5000電子伏特。研究者早就懷疑合唱波可能是加速電子的始作俑者，但當(dāng)時(shí)沒能意識(shí)到這只在等離子體密度低時(shí)發(fā)生。

等離子體的低密度使得更多由等離子體波向電子的高效率能量轉(zhuǎn)移能夠發(fā)生。

這些密度降低的現(xiàn)象并不經(jīng)常發(fā)生，研究者在他們的論文中寫道，論文于1月29日在《科學(xué)進(jìn)步》期刊上發(fā)表。2015年，開始觀測后，適宜的條件只出現(xiàn)了少數(shù)幾次，他們補(bǔ)充道。這些極端條件可能與范艾倫帶中發(fā)生的的持續(xù)性對(duì)流有關(guān)，持續(xù)性對(duì)流指較熱，較輕的物質(zhì)上升，而密度較大，較冷的物質(zhì)下沉的現(xiàn)象。研究者寫道，等離子體偶爾變得這么稀薄的原因還需要進(jìn)行更多研究。

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地球（圖源：theweathernetwork）

地球是距離太陽的第三顆行星，也是宇宙天體中唯一已知的生命港灣。盡管有大量的水遍布于太陽系中，但只有地球存在穩(wěn)定的地表液態(tài)水。海洋覆蓋了地球表面約71%的部分，使南北極的冰川、湖泊、河流相形見絀。剩下29%的面積是陸地，其中有大陸也有島嶼。地球表層由數(shù)塊緩慢漂移的地殼板塊構(gòu)成，板塊間相互作用引起了造山運(yùn)動(dòng)、火山噴發(fā)以及地震。地球的液狀外層核心造就了磁場，磁場造就了地球磁層，從而使毀滅性的太陽風(fēng)偏轉(zhuǎn)。

BY:Stephanie Pappas

FY:高中老油條

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