2024年太陽風暴揭開神秘輻射帶之謎

2024年5月，一場猛烈的太陽風暴不僅幹擾了全球定位系統（GPS），更在地球周圍形成了兩個全新的輻射帶。這個罕見的現象由一顆重新啟動的立方衛星（CubeSat）捕捉到，並首次在太空天氣史上發現了質子輻射帶。

這場太陽風暴是過去20年來地球遭遇的最強烈的一次。連續數日，來自太陽的帶電粒子猛烈衝擊地球，不僅在天空中點亮了絢麗的極光，還短暫影響了部分GPS通訊。然而，科學家們現在發現，這場風暴的影響遠不止於此——它還在地球周圍形成了兩個臨時輻射帶。

這項意外發現得益於美國太空總署（NASA）的一顆衛星奇蹟般地復活，並為未來太陽風暴對科技的影響提供了寶貴的見解。這些新形成的輻射帶位於兩個永久性的範艾倫輻射帶之間，範艾倫輻射帶由地球磁場捕獲的高能電子和質子組成，對太空船和太空人構成潛在風險。瞭解這些輻射帶的演變對於確保太空旅行的安全至關重要。

這項發現由NASA的科羅拉多內輻射帶實驗（CIRBE）衛星完成，並於2025年2月6日發表在《地球物理研究期刊：太空物理學》上。這項突破對於前往地球靜止軌道的太空船尤其重要，因為它們必須多次穿越範艾倫輻射帶才能抵達目的地。

過去，大型太陽風暴後也曾檢測到臨時輻射帶，但之前的輻射帶主要由電子組成，而這次新發現的兩個輻射帶中，內層的輻射帶還包含了高能質子。這種獨特的組成可能與太陽風暴的強度和成分有關。

「當我們比較風暴前後的資料時，我驚呼：『哇，這真的是全新的發現！』」該論文的主要作者、科羅拉多大學波德分校大氣與太空物理實驗室（LASP）的教授李新林表示，「這真的令人震撼。」

新輻射帶的持續時間也比以往的臨時輻射帶更長。過去，臨時輻射帶通常持續約四周，而這次主要由電子組成的輻射帶卻持續了三個多月。另一個包含質子的輻射帶由於位於更穩定的區域，且不易受到物理過程的影響，持續時間更長，甚至可能至今仍存在。

「這些高能電子和質子找到了進入地球內部磁場環境的途徑，」NASA範艾倫探測器前任務科學家、NASA戈達德太空飛行中心研究員大衛·西貝克表示，「有些粒子可能會在這個區域停留很長一段時間。」

這些輻射帶的持續時間取決於太陽風暴的強度。大型風暴可能會提供足夠的能量，將輻射帶中的粒子擊出軌道，使其螺旋進入太空或墜落地球。例如，2024年6月底的一場風暴顯著減少了新電子輻射帶的規模，而8月的另一場風暴幾乎消除了剩餘的電子輻射帶，儘管仍有一小部分高能電子留存。

這項新發現由NASA的CIRBE衛星完成，這顆立方衛星大小約如鞋盒，從2023年4月至2024年10月在低地球軌道上環繞地球磁極執行。CIRBE搭載了一臺名為「相對論電子質子望遠鏡整合小型實驗-2」（REPTile-2）的儀器，這是NASA範艾倫探測器上儀器的迷你升級版，曾在2013年首次發現臨時電子輻射帶。

在太空中執行一年後，這顆立方衛星於2024年4月15日意外失聯。科學家們原本對錯過5月的太陽風暴感到失望，但幸運的是，6月15日，衛星奇蹟般地復活，並重新開始測量。這些資料提供了其他儀器無法獲取的高解析度資訊，使科學家們能夠瞭解新輻射帶的規模。

「當我們恢復測量後，我們看到了新的電子輻射帶，這在其他太空船的資料中是看不到的，」李新林表示。

李新林指出，這顆立方衛星在軌道上測量太陽風暴的影響既令人興奮又帶有遺憾。雖然它提供了測量如此大規模事件的機會，但風暴也增加了衛星的大氣阻力，導致其軌道提前下降。最終，這顆衛星於2024年10月脫離軌道。然而，它所提供的資料讓這一切變得值得。

「我們非常自豪，這顆小小的立方衛星能夠做出如此重大的發現，」李新林說道。

參考文獻：A New Electron and Proton Radiation Belt Identified by CIRBE/REPTile-2 Measurements After the Magnetic Super Storm of 10 May 2024 by Xinlin Li, Zheng Xiang, Yang Mei, Declan O'Brien, David Brennan, Hong Zhao, Daniel N. Baker and Michael A. Temerin, 6 February 2025, Journal of Geophysical Research: Space Physics. DOI: 10.1029/2024JA033504

CIRBE由科羅拉多大學波德分校的LASP設計和建造，並透過NASA的立方衛星發射計劃（CSLI）發射。該任務由NASA的太陽物理飛行機會研究與技術（H-FORT）計劃贊助。