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在最近發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications）的一項新研究種，來自美國加州大學洛杉磯分校的科學家們發(fā)現(xiàn)了一種新的超高速高能電子源，其散發(fā)出來的電子一方面為北極光“錦上添花”，另一方面也對衛(wèi)星、航天器和宇航員構成威脅。

研究人員利用ELFIN微型衛(wèi)星觀察到了來自近地軌道的意外快速“電子降水”。ELFIN是兩顆微型衛(wèi)星，由本科生和研究生在一小隊導師的指導下在加州大學洛杉磯分校校園內建造和運行。

通過將ELFIN數據與美國國家航空航天局（NASA）的忒彌斯（THEMIS）航天器進行的遠距離觀測相結合，科學家們確定，這場突如其來的傾盆大雨是由哨聲波引起的。哨聲波是一種電磁波，在太空中穿過等離子體，影響地球磁層中的電子，導致它們“溢出”到大氣中。這項研究表明哨聲波造成的電子雨，比當前的理論和空間天氣模型預測的要多得多。

“ELFIN是首先測量這些超快電子的衛(wèi)星，”加州大學洛杉磯分校地球、行星和空間科學系研究員張曉佳說?！坝捎谠撊蝿赵诋a生它們的一系列事件中的獨特優(yōu)勢，它正在產生新的見解?！?/p>

這一系列事件的核心是近地空間環(huán)境，其中充滿了圍繞著地球運行的帶電粒子，稱為范艾倫輻射帶，其中的電子以螺旋狀的方式在地球南北兩極之間跳躍。在某些條件下，輻射帶內會產生哨聲波，激發(fā)并加速電子。這有效地延長了電子的傳播路徑，以至于它們從輻射帶中掉落并沉淀到大氣中，從而產生電子雨。

加州大學洛杉磯分校（UCLA）空間物理學教授、埃爾芬的主要研究員瓦西里斯·安杰洛普洛斯（Vassilis Angelopolous）說，人們可以把范艾倫帶想象成一個裝滿水或電子的大水庫。水庫蓄水后，水會周期性地螺旋下降到泄壓排水溝中，以防止水庫溢流。但是，當水庫中出現(xiàn)大浪時，晃動的水溢出邊緣，速度更快，體積也更大。ELFIN位于位于兩個流的下游，能夠正確地測量每個流的流量。

ELFIN衛(wèi)星進行的低空電子雨測量，結合空間中對哨聲波的THEMIS觀測和復雜的計算機建模，使團隊能夠詳細了解這些波導致電子迅速流入大氣層的過程。這些發(fā)現(xiàn)尤其重要，因為當前的理論和空間天氣模型雖然考慮了進入大氣層的其他電子源，但無法預測這種額外的哨聲波誘導的電子流，它可能會影響地球的大氣化學，對航天器構成風險，并對低軌道衛(wèi)星造成損壞。

研究人員進一步表明，在地磁暴期間，這種輻射帶向大氣的電子損失會顯著增加。地磁暴是由增強的太陽活動引起的擾動，會影響近地空間和地球的磁環(huán)境。

安杰洛普洛斯說：“雖然人們普遍認為太空與高層大氣是分離的，但兩者之間有著不可分割的聯(lián)系。了解它們之間的聯(lián)系有助于幫助通過該地區(qū)的衛(wèi)星和宇航員降低風險，這對商業(yè)航天和太空旅游越來越重要?！?/p>

自2013成立以來，超過300名加州大學洛杉磯分校的學生一直致力于ELSN（電子損失和實地調查）。這兩個微型衛(wèi)星于2018年發(fā)射入軌道，每顆大小跟一條面包差不多，重約3.6千克，此后一直在觀測高能電子的活動，并幫助科學家更好地了解磁暴在近地空間的影響。

科林·威爾金斯（Colin Wilkins）是這項最新研究的合著者，也是ELFIN衛(wèi)星的儀器負責人，也是地球、行星和空間科學系的空間物理學博士生，他說：“利用我們自己制造的硬件中的數據來增加我們對空間科學的知識是非常有益的?！?/p>

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