太阳风与地磁暴

太阳风与地磁暴

多年来，人类认为太空的起点是在地球大气层顶端那层气体之外。太苫绝非空无一物，天文学家早就观察叫太阳表面喷出巨大的耀斑，因而正自地推论说，从耀斑不断喷出的物质立子，逸人太阳系中遥远的地方。但自从人造卫星进入轨道运行后，突然发现太空里有强烈的辐射“风暴”向电球袭击，活像飓风袭击一个海岛。

我们不会感受到这些宇宙风暴勺影响，因为我们居住在浩渺的大气层底下。大气层形成坚固的屏障，挡住了袭击地球的射线。不过，最强烈的射线中仍有小部分像毛毛细雨般透到地球的表面来。假如更多这类辐射线达到地球表面，而大气层又不是这么有效的保护屏障，我们就无法生存，或者至少可以说，地球上就会另有不同的生物出现。

这些袭击地球外层气体继而深入大气层中的特殊射线究竟是什么？今天，科学家知道宇宙射线是由太阳及星球所逐出的原子核组成的，在太空中以接近光速（每秒约18.6万英里）的速度飞驰，具有极大的能量。到达地球大气层顶的宇宙射线，大半是氢原子核。但到达地球的射线中，也有其他较重元。素的原子核。这些强力的粒子与上层空气中的气体分子碰撞时，激发起次宇宙射线簇射，这是由碰撞时造成的碎屑所组成。在较低的大气层中，这种级联簇射的效果逐渐消失。因此，只有小部分宇宙射线能由大气上层直射到地球表面。

科学家研究宇宙射线已有50多年了，初期研究人员为了获得宇宙射线的知识，把仪器放在自南气球里升空，希望借收集到的资料来解释射线的来源。他们利用盖革计算器，发现气球升得越高，计算器跳动越频。换言之，在高空里宇宙射线较多。

宇宙射线的性质令许多科学家大惑不解，其中一位就是美国物理学家范艾伦。在第二次世界大战期间，范艾伦替美国海军部设计及制造小型仪器。战后才转移兴趣，致力于火箭及高空研究。

范艾伦替缴获的德国V-2飞弹弹头设计仪器，并协助研究新型发展火箭，例如气球火箭。这是一种由气球和火箭结合的装置，利用高空气球做发射台，把带到高空的火箭发射出去。1956年，范艾伦编了《人造卫星的科学用途》一书。他致力制造人造卫星用的小型仪器，同时不耐烦地等候美国第一颗人造卫星升空。

1958年1月31日，“探险者一号”终于升了空。卫星只带了18磅东西，其中有范艾伦的仪器，大小有如雪茄，那是一个盖革计算器管。计算管的电压南电池供应，并装置了一个袖珍电流放大器；遇有宇宙射线等带电荷的粒子通过计算管时，放大器就会把盖革计算器产生的脉冲电流放大。附设的一个装置，把计算器急速的计算率按倍数缩减，32个脉冲电流缩为一个单位计算。计算结果馈人一对无线电发报机后，用远距离记录仪把资料送回地球。

在“探险者一号”的轨道下，已经设置了一个全球性的收听网，准备在卫星飞过上空时，接收它发出来的无线电信号。世界各地共有16个这样的收听中心。“探险者一号”沿着一个椭圆形的轨道环绕地球运行，轨道最低点距海平面224英里，最高点1573英里。卫星传送回来的资料，最初的一批经整理后，并没有什么令人惊奇的东西。这些资料都是由美国境内的收听站收集的，因为探险者一号最接近地球的位置是在美国上空。所录得的宇宙射线数量跟较早时火箭实验期间所做的估计大致吻合。

在“探险者一号”升空后几个星期，世界各地追踪站把有关人造卫星头几圈运行情况的报告送回来，包括澳洲、新加坡、阿尔及利亚、智利等地。在地球另一面，卫星升到最高的位置，比不久前苏联两颗人造卫星伴侣一号和二号所到的位置更高。

范艾伦及其同事收集资料加以分析时，有一个现象令他们大惑不解。在极高的天空中，盖革计算器竟然没有汜录到宇宙射线。

这点实在出乎意料之外，科学家曾一度以为仪器在距离地球遥远的位置发生了故障。但这又似乎不可能，因为降至较低高度的时候，仪器又继续操作如常，一点毛病也没有。当然，科学家也不相信在探险者一号轨道较高处竟会没有宇宙射线。根据人类对太阳系已有的知识来判断，这种解释无论如何都不能成立，因此这件事就越来越神秘了。

盖革计算器出现不寻常的情况，另一种解释是说遥远的高空中发生的某种现象使计算器失灵，等到离开高空回到较低高度时，功能又恢复正常。

科学家假定，计算器在极高的天空上，遇到一大股密集的宇宙射线，由于射线过分强烈，计算器根本无法应付全部计算工作。是否如此呢？宇宙射线过量，计算器负荷过重就会失去效用。

范艾伦及其同事没料到会有这种情形，不过他们知道有此可能。范艾伦为厂证实这个假设，在实验室里把一个复制的盖革计算器放在强烈的X射线下试验，结果证实它负荷过度时就会失灵。他因此下结论，认为探险者一号的计算器之所以失灵，主要是受到过量的宇宙射线袭击，比它在较接近地球轨道上所受的宇宙射线多出许多倍。

盖革计算器暂时失灵的现象，使科学家发现厂一条辐射层，叫做“范艾伦辐射带”，像—条稍微泄了气的汽车内胎环绕着地球，约在500英里高空开始，宽1000英里左右，一直向外伸展进入太空。

“探险者一号”的任务完成后不久，美同向月球发射厂一枚太空火箭，可惜未能成功，坠回地球毁灭了。一般认为美国这次探月计划是彻底的失败，不过对范艾伦他们来说，却是极大的成功。因为这枚火箭曾进人太空相当远的位置，把令人兴奋的消息传送田地球。证明太空中还有第二条更大的范艾伦辐射带。约自12000英里高空开始，辐射强度不断增加直到数千里外，然后慢慢变弱，伸到离地球五万多英里的高空。后来的太空探测，更发现这第二条辐射带的中心形成一个新月形，两端的月角向内指向地球的磁极。

这两条辐射带虽然到1958年才发现，但早在50多年前，挪威理论物理学家史图默尔教授已预知它们的存在。他曾研究地球磁场对带电荷粒子运行途径的影响，并估计带电荷的原子粒子（如电子和质子等）在接近地球时，会发生什么变化。

这位挪威科学家绘出许多不同曲线和螺旋线，说是原子粒子由太空到达地球可能依循的途径。史图默尔认为：地球的磁场会把宇宙射线困住形成带状，就像范艾伦及其同事所发现的一样。

试想象有一根巨大的条形磁铁穿过地心，两端稍微偏离地球上的南北极，就可设想出磁力线由一个磁极伸向另一个磁极，穿越在赤道之上的太空远处。地面上的科学家在利用人造卫星做研究前，只能推测地球的磁力能伸到多高的太空中。不过，在地球磁力所及的范围，任何带电荷的粒子进入磁力线之间，实际上都会被困在一条由一个磁极到另一个磁极的无形弯管里。

这些粒子就在那里不停地沿着一条螺旋形的轨道来回转动，被非常有力的无形磁墙困住。因此，范艾伦辐射带又常称为“捕集辐射”层。

为了试验这个理论，有人提议把几枚小型原子弹发射上天，然后在高空引爆。如果原子碎屑被困住，并在地球磁极之间来回运行，那么这个理论会是正确的。在500英里高空上，引爆了几枚原子弹。从地球其他地点发射的火箭，检定出爆炸时产生的原子碎屑环绕地球飞转，像困在瓶子里的蜜蜂。

目前的太空研究包括直接观察称为“太阳风”的气。太阳风是从太阳涌出来的，吹过地球时，把远在太空中的地球磁场卷入带走。迎风处的磁场受了限制，顺着风处的磁场吹成一条很长的磁尾巴，环绕地球形成一个细长的区域，叫做“磁层”。从磁场范围内逸出的太阳风的粒子，形成范艾伦辐射带。太阳上有强烈活动时，太阳风就更猛烈，产生交互作用，因而引起地球的“地磁暴”。地球上空的环境实在比过去所想象的更为复杂。