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在最近發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications）的一項(xiàng)新研究種，來自美國加州大學(xué)洛杉磯分校的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新的超高速高能電子源，其散發(fā)出來的電子一方面為北極光“錦上添花”，另一方面也對衛(wèi)星、航天器和宇航員構(gòu)成威脅。

研究人員利用ELFIN微型衛(wèi)星觀察到了來自近地軌道的意外快速“電子降水”。ELFIN是兩顆微型衛(wèi)星，由本科生和研究生在一小隊導(dǎo)師的指導(dǎo)下在加州大學(xué)洛杉磯分校校園內(nèi)建造和運(yùn)行。

通過將ELFIN數(shù)據(jù)與美國國家航空航天局（NASA）的忒彌斯（THEMIS）航天器進(jìn)行的遠(yuǎn)距離觀測相結(jié)合，科學(xué)家們確定，這場突如其來的傾盆大雨是由哨聲波引起的。哨聲波是一種電磁波，在太空中穿過等離子體，影響地球磁層中的電子，導(dǎo)致它們“溢出”到大氣中。這項(xiàng)研究表明哨聲波造成的電子雨，比當(dāng)前的理論和空間天氣模型預(yù)測的要多得多。

“ELFIN是首先測量這些超快電子的衛(wèi)星，”加州大學(xué)洛杉磯分校地球、行星和空間科學(xué)系研究員張曉佳說?！坝捎谠撊蝿?wù)在產(chǎn)生它們的一系列事件中的獨(dú)特優(yōu)勢，它正在產(chǎn)生新的見解?！?/p>

這一系列事件的核心是近地空間環(huán)境，其中充滿了圍繞著地球運(yùn)行的帶電粒子，稱為范艾倫輻射帶，其中的電子以螺旋狀的方式在地球南北兩極之間跳躍。在某些條件下，輻射帶內(nèi)會產(chǎn)生哨聲波，激發(fā)并加速電子。這有效地延長了電子的傳播路徑，以至于它們從輻射帶中掉落并沉淀到大氣中，從而產(chǎn)生電子雨。

加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）空間物理學(xué)教授、埃爾芬的主要研究員瓦西里斯·安杰洛普洛斯（Vassilis Angelopolous）說，人們可以把范艾倫帶想象成一個裝滿水或電子的大水庫。水庫蓄水后，水會周期性地螺旋下降到泄壓排水溝中，以防止水庫溢流。但是，當(dāng)水庫中出現(xiàn)大浪時，晃動的水溢出邊緣，速度更快，體積也更大。ELFIN位于位于兩個流的下游，能夠正確地測量每個流的流量。

ELFIN衛(wèi)星進(jìn)行的低空電子雨測量，結(jié)合空間中對哨聲波的THEMIS觀測和復(fù)雜的計算機(jī)建模，使團(tuán)隊能夠詳細(xì)了解這些波導(dǎo)致電子迅速流入大氣層的過程。這些發(fā)現(xiàn)尤其重要，因?yàn)楫?dāng)前的理論和空間天氣模型雖然考慮了進(jìn)入大氣層的其他電子源，但無法預(yù)測這種額外的哨聲波誘導(dǎo)的電子流，它可能會影響地球的大氣化學(xué)，對航天器構(gòu)成風(fēng)險，并對低軌道衛(wèi)星造成損壞。

研究人員進(jìn)一步表明，在地磁暴期間，這種輻射帶向大氣的電子損失會顯著增加。地磁暴是由增強(qiáng)的太陽活動引起的擾動，會影響近地空間和地球的磁環(huán)境。

安杰洛普洛斯說：“雖然人們普遍認(rèn)為太空與高層大氣是分離的，但兩者之間有著不可分割的聯(lián)系。了解它們之間的聯(lián)系有助于幫助通過該地區(qū)的衛(wèi)星和宇航員降低風(fēng)險，這對商業(yè)航天和太空旅游越來越重要。”

自2013成立以來，超過300名加州大學(xué)洛杉磯分校的學(xué)生一直致力于ELSN（電子損失和實(shí)地調(diào)查）。這兩個微型衛(wèi)星于2018年發(fā)射入軌道，每顆大小跟一條面包差不多，重約3.6千克，此后一直在觀測高能電子的活動，并幫助科學(xué)家更好地了解磁暴在近地空間的影響。

科林·威爾金斯（Colin Wilkins）是這項(xiàng)最新研究的合著者，也是ELFIN衛(wèi)星的儀器負(fù)責(zé)人，也是地球、行星和空間科學(xué)系的空間物理學(xué)博士生，他說：“利用我們自己制造的硬件中的數(shù)據(jù)來增加我們對空間科學(xué)的知識是非常有益的。”

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