每時每刻，數萬億帶電粒子在我們頭頂疾馳而過。這些粒子主要是質子和電子，是物質的基本組成部分。它們以接近光速的速度運動，通常被地球磁場束縛在距離地球數千千米的高空。

然而，某些偶發事件會迫使它們偏離原本的軌跡，使帶電粒子如同雨點般墜入地球大氣層。這些高能粒子構成了近地空間的一個強烈輻射區，即范艾倫輻射帶，或稱地球輻射帶。????

磁場線（青色細線）環繞地球，束縛了帶電粒子（黃色細線）。（圖/UCLA EPSS/NASA SVS）

地球輻射帶主要由內輻射帶和外輻射帶兩個區域組成。一直以來，科學家認為，內輻射帶距地球約1000千米，主要由電子和高能質子組成，具有較高的穩定性；而外輻射帶則距離地球更遠，主要由高能電子組成，結構高度動態，可隨太陽活動的變化在短時間內劇烈波動。

然而，發表在《自然·通訊》雜志的一項研究通過觀測地球輻射帶，得出了一項出人意料的結論，促使科學家重新審視對地球內輻射帶的認知。

意外的發現

在這項研究中，研究人員原本計劃尋找從外輻射帶快速（亞秒級）降落到大氣層的高能電子。過去的理論認為，一種被稱為“哨聲模式合聲波”（whistler-mode waves）的電磁波可以擾動這些電子，使其偏離原有軌道并墜入大氣層。

為了搜索此類事件，研究團隊利用算法分析了太陽異常性/磁層粒子探索器（SAMPEX）數十來年收集的數據。然而，結果卻令人費解——許多高能電子的位置與預期不符——它們并非位于外輻射帶，而是位于內輻射帶。

這一發現令人疑惑，原因有二：首先，哨聲模式合聲波在內輻射帶并不常見；其次，過去的研究表明，內輻射帶中不應存在如此高能的電子。這是否有意味著尚未被識別的機制在起作用？?

在進一步的分析中，研究人員發現，從1996年到2006年，內輻射帶中出現了45次高能電子暴。這表明，內輻射帶確實偶爾會充滿高能電子。然而，這些時間的發生頻率及其具體觸發條件仍不明確。

由于這些高能電子可能損壞航天器并危及太空人員，科學家們迫切需要弄清它們的來源，以便更好地設計航天器防護措施。

罪魁禍首：閃電

研究人員提出了一種新的假設——這些高能電子的來源，可能與地球大氣層本身有關。

閃電是雷暴期間的一種強烈的電磁放電現象，能在天空中產生耀眼的光芒，同時釋放出電磁波，其中包括被稱為“閃電哨聲”（lightning-generated whistlers）的特殊波形。這些波可以穿越大氣層進入太空，與內輻射帶中的電子相互作用，就像哨聲模式合聲波影響外輻射帶電子一樣。

為了驗證這一假設，研究團隊將這些電子暴事件與全球雷暴數據進行比對，結果發現，一些電子暴確實與閃電活動相關，但并非所有情況都能用此解釋。進一步分析表明，只有在地磁風暴（geomagnetic storms）之后發生的閃電，才會導致電子暴的釋放。

研究人員認為，事情的經過是這樣的：雷擊之后，地磁風暴在太空中引發了一種“電子彈球游戲”，它們與內輻射帶的電子碰撞，然后這些電子開始在地球的南北半球之間來回彈跳，每次往返只需0.2秒。隨著電子不斷反彈，一部分電子會脫離輻射帶，進入地球大氣層。

換言之，是地球天氣（閃電）和太空天氣（地磁風暴）的相互作用，共同塑造了這些高能電子的特性。太陽活動使輻射帶充滿高能電子，而閃電隨后觸發這些電子墜入大氣層，形成觀測到的電子暴。

太空天氣的影響

地磁風暴是近地空間環境的劇烈擾動，通常由太陽表面的劇烈噴發所觸發。如果這些太陽活動正對地球方向噴發，就會導致一系列“太空天氣”現象。太空天氣不僅能產生壯觀的極光，還可能擾亂衛星、無線電通信，甚至影響地面電網的穩定運行。

新研究表明，太陽活動、地球磁場與雷暴之間的復雜互動，共同決定了高能電子在近地軌道中的分布模式。研究人員希望進一步研究這些電子暴的發生機制，以便提高預測能力，進而加強航天器和太空人員的安全防護措施。

這一發現不僅揭示了地球與太空之間的深層聯系，也再次印證了科學發現的非線性特征——許多突破性的認知，往往源于對偶然現象的深入探索。

#參考來源：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-53036-4

https://theconversation.com/lightning-strikes-link-weather-on-earth-and-weather-in-space-243772

https://www.colorado.edu/today/2024/10/10/lightning-strikes-kick-game-electron-pinball-space

https://physicsworld.com/a/lightning-sets-off-bursts-of-high-energy-electrons-in-earths-inner-radiation-belt/

#圖片來源：

封面圖：首圖：jplenio / Pixabay