與太陽共舞
專欄
作者：苗千
“我們無可避免地跟自己保持陌生，我們不明白自己，我們搞不清楚自己，我們的永恒判詞是：離每個人最遠的，就是他自己。──對於我們自己，我們不是知者……”尼采這樣描述一個人試圖認識自己真實的一麵時的最大障礙。不僅人類如此，我們的行星想要真正理解自己，也並不是一件容易的事。我們所生存和依賴的地球被它的大氣層所包裹，地球的表麵有山川河流，還有熾熱的地心，但是要想更加深入地了解地球，非常重要的一點就是研究地球與距離它最近的恒星——太陽之間的關係。
太陽是對於地球來說至關重要的一顆恒星。地球的存在，很大程度上依賴著太陽，太陽的一舉一動，都會帶給地球極大影響。直到20世紀，人類才認識到了在地球內部存在著一個巨大的磁體；直到20世紀30年代，人類才了解地球磁場的結構，不僅由地球本身決定，也會受到來自太陽的影響。為了研究太陽-地球這個對於人類來說最重要的天體係統，美國航空航天局（NASA）啟動了“與星球共存計劃”（Living With a Star Program）。
作為“與星球共存計劃”的一部分，在2012年8月30日，兩個相同的被命名為“輻射帶風暴探測器”（Radiation Belt Storm Probes）的輻射探測器被送上地球軌道，用來探測圍繞地球的“範艾倫輻射帶”（Van Allen Radiation Belts）。這兩個探測器〔在2012年11月9日被更名為“範艾倫探測器”（Van Allen Probes）〕裝備了高能粒子、等離子體、磁場和等離子體波傳感器，用來詳細探測地球上空輻射帶的情形。兩個探測器不僅被設計得非常靈敏，而且也異常堅固，因為它們需要在地球上空最危險的區域探測高能帶電粒子，在這個區域內活動的高能粒子可以輕易穿透1厘米厚的鋁板，會給在這個區域內工作的用於通訊和定位的衛星造成破壞，在地球軌道上工作的哈勃望遠鏡甚至也會受到它的影響。正因為這個原因，這個對於人類來說重要又危險的區域的每一個變化都會給人類社會帶來巨大的影響，對於這個區域的詳細研究也就顯得尤為重要。
這個高能區域就是由人類的第一顆人造衛星——“探險者1號”在1958年升空後首次發現的範艾倫輻射帶，它以領導這個項目的物理學家詹姆斯·範·艾倫（James Van Allen）的名字命名。這個輻射帶主要是由地球磁場捕獲的高能帶電粒子組成，它又主要分為內外兩層：輻射帶的內層主要分布在距離地麵大約100～1萬公裏的範圍內，主要是由帶正電的高能粒子（主要是高能質子）構成；而外層分布在距離地麵大約1萬～6萬公裏的範圍內，主要由帶負電的高能電子組成。在這內外兩層之間，又存在著一個狹窄的縫隙。
範艾倫輻射帶的內層相對穩定，外層則相對活躍得多。主要以高能電子構成的外層在太陽風暴的襲擊下，會以發生急劇的膨脹或者收縮來應對，並且同時會從太陽風暴中捕獲大量的帶電粒子。盡管範艾倫輻射帶已經被發現超過了半個世紀，它們的存在和結構都已經被寫進教科書，目前也存在著各種各樣的理論試圖解釋這兩個輻射帶的結構，但實際上，人類對它仍然知之甚少。因為範艾倫輻射帶內的高能粒子可以給探測器帶來巨大的傷害，人類此前隻能在輻射帶邊緣進行零星探測，從來沒有真正深入到輻射帶的中心進行探測研究。因此，第一次深入到輻射帶中心，並且計劃在兩年內探測輻射帶各個區域的範艾倫探測器也就自然被人們寄予極大的希望，探索這個對人類至關重要的區域，並且理解地球與太陽之間的相互作用。
科學家們希望借助範艾倫探測器在輻射帶中心了解三個主要問題：第一，輻射帶中的高能量粒子從何而來？第二，這些高能粒子消失於何處？又是什麼機製促使這些粒子消失？第三，這些改變對於地球的磁氣圈有什麼影響？為了配合範艾倫探測器理解這三個主要問題，作為“與星球共存計劃”的另一部分，另一個主要由美國達特茅斯學院負責的名為“相對論電子衰減氣球陣列”（Balloon Array For RBSP Relativistic Electron Losses）的任務也開始實施，從2012年12月開始，研究人員在南極地區陸續把20個同樣大小的白色氣球釋放到高空中，這些裝備著探測器的氣球將在南極上空飄蕩，在底層探測逃離範艾倫輻射帶的高能粒子的去向。