作者：黄湘红 段跃初

近年来，科学家们对地球天气与太空环境之间的相互作用有了突破性的新发现。一项发表于2024年12月2日《科学美国人》杂志的研究揭示了地球大气中的闪电击中现象，如何在低地轨道上引发高功率的“杀手电子雨”，这一发现打破了科学家们以往的认知，即这类高能电子仅出现在地球遥远的外辐射带。

“杀手电子”是指位于地球辐射带中的高能电子，它们具有足够的能量，对航天器造成严重威胁。这些电子通常位于范艾伦辐射带内，能够穿透航天器的表层材料，导致材料退化，损害电子器件，甚至引发单粒子效应，从而影响航天器的正常运作。

美国科罗拉多大学博尔德分校的天体物理学家劳伦·布卢姆指出：“这些高能粒子对航天器和太空中的人类都有损害。了解内部辐射带中何时出现高能电子，将有助于我们采取措施避免损害。”

这项研究的主要作者马克斯·费恩兰在分析NASA的SAMPEX任务数据时，发现了一种异常现象：1996年至2006年间，高能电子沉淀的快速激增。进一步的研究表明，这些高能电子沉淀与地球大气中的闪电活动密切相关。研究人员将微爆数据与国家雷电探测网的数据进行对比，发现内辐射带的爆发确实与闪电活动相吻合。闪电释放的电磁波从大气层上升到地球的磁场线，进入内辐射圈区域，其能量足以将高能电子从磁场限制中击出。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的太空气象科学家史蒂文·莫利认为，这个发现具有很高的说服力，因为它建立了闪电活动与内辐射带高能电子沉淀之间的联系。然而，由于数据限制，这个研究领域仍有很大的探索空间。

布卢姆强调，这些发现为地球天气与太空环境之间的紧密联系敲响了警钟。这种联系可能对臭氧层、大气化学甚至气候产生影响。她说道：“我们不能只研究太阳到地球和辐射带的动力学，还必须了解我们自己的大气层和地面天气系统。”

事实上，地球天气与太空环境之间的联系早已引起科学家们的关注。太阳风暴、地磁暴等现象都会对地球天气产生影响。而此次研究发现，地球大气中的闪电活动也能影响太空环境，进一步证明了这种相互作用。

为了更好地应对这种相互作用带来的影响，航天器设计师采取了多种措施。他们使用辐射硬化材料和技术来制造航天器组件，在关键电子部件上使用屏蔽以减少辐射暴露，设计冗余系统以保持航天器的运作，并实施定期维护和检查以监测辐射损伤。

总之，地球闪电引发的太空“杀手电子雨”现象，不仅揭示了地球天气与太空环境之间的紧密联系，也为我国太空环境研究和地球天气预测提供了新的思路。在今后的科研工作中，科学家们将继续深入研究这一领域，为人类航天事业和地球环境保护作出更大贡献。通过这些研究，我们不仅能够更好地保护航天器免受高能电子的侵害，还能够更深入地理解地球天气系统与太空环境之间的复杂互动。

来源: 科普文讯