†  計劃背景




    •  地球輻射帶與磁暴
        高能帶電粒子(離子跟電子)被地球磁場所捕獲並形成輻射帶環繞著地球。而在地球空間(geospace)的輻射帶上幾百萬電子伏特的電子是最高能帶電粒子(圖一)。最近一些衛星計畫(CRRES, Akebono, THEMIS等), 地面觀測以及模擬研究已經顯現出內磁層的詳細結構和變化。其中交互能量耦合(cross-energy coupling)跟交互區域耦合(cross-regional coupling)等作用在電漿球層(plasmasphere),電漿片,環電流,輻射帶以及磁層-電離層之間已經成為了解地球輻射帶和內部磁層的重要概念[Ebihara and Miyoshi, 2011]。

圖一

        如圖二所示,在磁暴主相期(main phase)期間,外輻射帶的電子數明顯的減少然後再恢復,接著在恢復期(recovery phase)時電子數再增加至磁暴發生前的水平 [e.g., Baker et al., 1986; Nagai, 1988; Reeves et al., 1998, 2003; Miyoshi and Kataoka, 2005]。在巨大磁暴發生期間,輻射帶起了很大的變化,同時也在slot region 跟內輻射帶觀察到大量的電子束 [Baker et al., 2004]。

圖二


    •  外部和內部相對論性電子加速來源
        有兩種可能產生相對論性電子的機制已經被提出(see reviews by, e.g., Friedel et al. [2002], Shprits et al. [2008a, 2008b], Hudson et al. [2008], and Ebihara and Miyoshi [2011])。第一種是透過外部來源做類絕熱加速(quasi-adiabatic acceleration) [Schulz and Lanzerotti, 1974]。 在這過程中,當電子從電漿片跑到內部磁層後電子藉由第一跟第二絕熱不變量(first and second adiabatic invariants)來增加能量。這種隨機徑向擴散(radial diffusion)被建立成高能電子基本傳輸模式。週期為幾分鐘的ULF Pc5 的脈動被認為是經由漂移共振電子來驅動徑向擴散(radial diffusion)[e.g., Rostoker et al.,1998; Hudson et al., 2001; Elkington et al., 1999; Elkington, 2006; Mathie and Mann, 2000]。

        另一機制是被認為是一種內部加速過程。這個過程被認為是透過哨聲波(whistler mode wave)共振相互作用引起輻射帶內的相對論性電子加速[e.g., Summers et al., 1998; Miyoshi et al., 2003; Horne et al., 2005]。對於激發出哨聲波的自由能是一種溫度非均向性且帶有數十千電子伏特的電子[e.g., Kennel and Petscheck, 1966; Jordanova et al., 2010]。接著波跟粒子相互作用(wave-particle interactions)包含非線性行為將會產生合聲波(chorus waves) [e.g., Katoh and Omura, 2007; Omura et al., 2008]。然後合聲波會加速在外輻射帶的相對論性電子 [e.g., Summers and Ma, 2000; Summers et al., 2007]。

        波的產生與共振會受到在內磁層的冷電漿(cold plasma)分布影響。有衛星觀測到外輻射帶的高能電子(MeV)在電漿球層(plasmasphere)外增強了,而此處也產生強烈哨聲模式(whistler mode)合聲波,這也被視為哨聲波(whistler mode wave)對於電子加速的重要性 [e.g., Meredith et al., 2003; Miyoshi et al., 2003, 2007; Horne et al., 2005; Y. Kasahara et al., 2009]。因此哨聲波好像是傳遞能量的中間媒介,透過波跟粒子相互作用將電子從低能量提升至高能量。同時也有人提出磁聲波(Magnetosonic mode waves)是內部加速電子的機制之一 [Horne et al., 2007, Meredith et al., 2008]。

    •  輻射帶電子的損失
        電子束增強過程是一種相對論性電子加速與損失之間的精密平衡的結果,所以損失的過程就跟加速的過程一樣地重要。對於這種損失的過程目前已經有提出許多相關論點 (see reviews by Millan and Thorne [2007] and Turner et al. [2012])。 雖然絕熱減速總是發生在環電流變化的時候, 但非絕熱損失也發生在磁暴期間。磁層頂(Magnetopause)遮蔽緊接著向外徑向擴散可能會造成外輻射帶的電子快速地損失[e.g., Brautigam and Albert, 2000; Miyoshi et al., 2003; Shprits et al., 2006; Matsumura et al., 2011; Turner et al., 2012]。藉由電磁離子迴旋波(EMIC)跟哨聲波(whistler mode wave)產生的傾斜角散射(Pitch angle scattering)對於造成會使得相對論性電子沈降至大氣層而消失 [e.g., Thorne and Kennel, 1971; Lyons et al., 1972; Abel and Thorne, 1998; Li et al., 2007; Miyoshi et al., 2008; Jordanova et al., 2008]。因為與傾斜角散射相關的損失過程被認為是區域性,所以多位衛星及地面觀測是相當重要。

 • 交互能量耦合(cross-energy coupling)跟交互區域耦合(cross-regional coupling)
         圖三是以L-能階圖(L-energy diagram)的形式來總結磁層內傳送跟加速的機制。對於徑向擴散來說(圖3藍色箭頭),由於第一跟第二絕熱不變量守恆,所以當電子靠近地球時能量隨即增加。ULF Pc5 波可以說是徑向擴散的主要推手。另一方面,對於藉由波造成臨場加速度(in situ acceleration)(圖三紅色箭頭),次相對論電子(subrelativistic electrons)就是利用環電流中的電漿擾動所產生的哨聲波(whistler mode wave)跟電磁波來加速到幾百萬電子伏特。像是哨聲波跟電磁波這類的電漿波經由波跟粒子相互作用將能量傳送給帶電粒子使得在環電流中的電子與離子群變成次相對論電子群,然後相對論性電子束便在外輻射帶增加了。在這個過程中,熱電漿(thermal plasma)同時也扮演了周遭介質的角色。環電流的電子跟熱電漿之間傳輸因為藉由對流電場可以有效地被控制,所以在這內部加速過程中相對論性電子動力會被此對流電場所影響。

圖三

        在磁層內電漿群和帶電粒子群當中的交互能量耦合有著超過六個位數巨大能量差距(eV to MeV)。交互能量耦合扮演著經由波跟粒子相互作用在輻射帶外產生高能的電子(MeV)的角色。此外,在磁層與電離層之間交互區域耦合驅動了內部磁層對流電場的動態變化[e.g., Ebihara et al., 2004]。因此,在地球空間所形成的輻射帶是一種交互能量耦合跟交互區域耦合的現象[Mann et al., 2006; Mann, 2008, Ebihara and Miyoshi, 2011]。而ERG計畫的重點就是要來了解地球空間中的相對論性電子如何在磁暴期間產生。

    •  輻射帶與太空天氣
        探討輻射帶中的相對論性電子的相關研究對於了解太空天氣是很重要的 [Baker, 2002]。一些太空代化設施像是在輻射帶上運轉的GPS、氣象衛星、通訊衛星等都是現代社會生活上不可或缺的。而高能粒子會影響衛星運作異常。事實上,也有人已經提出衛星運作異常是因為受到在外輻射帶大量增強的相對論性電子束所影響 [Pilipenko et al., 2006]。大量介電質蓄電被認為是造成衛星異常原因之一。此外,國際太空站(ISS)設立在外部與內部輻射帶的底部。因為幾百電子伏特的電子可以穿透太空衣,所以當太空人在ISS進行艙外活動時將會暴露在高能質子與相對論性電子所產生的輻射[National Research Council, 2000]。為了控制每個太空人在ISS進行艙外活動時所受到的輻射量,掌握現在以及未來相對論性電子的狀態是相當重要.

        為了找出是什麼機制造成外部輻射帶電子的變化,靠近磁層赤道(magnetic equator)的電漿、場以及波的量測變得相當重要。CRRES跟Akebono的觀測也提出在赤道面觀測的重要性[Seki et al., 2005]。而且相空間的密度變化是看出電子能量增加是由外部供應還是內部加速過程之間的差異關鍵[Green and Kivelson, 2004; Chen et al., 2007]。然而因為強烈的輻射造成高能粒子量測上的干擾,所以更近一步的內部磁層觀測到現在還沒實現。因此輻射帶的加速機制到目前為止還沒很清楚地了解。

    •  未來展望
        地球的輻射帶就像是一個獨特又天然的實驗室環境。它讓我們可以發展研究這些佈滿整個宇宙的相對論性電子產生的過程。整個太陽星系的磁化行星除了水星以外都有著輻射帶[Mauk and Fox, 2010]。對於地球輻射帶的最新研究知識將有助於行星輻射帶的了解。舉例來說,在木星輻射帶生成相對論性電子的地方[Bolton et al., 2002; Ezoe et al., 2010],徑向擴散對於在目前磁層的電子加速過程是很重要的[e.g., Goertz et al., 1979]。另外一方面,根據最近地球輻射帶的研究[Horne et al., 2008],透過波跟粒子相互作用的非絕熱加速過程(nonadiabatic acceleration process)也已經被提出了.基於ERG計畫的結果我們將會詳細地了解整個相對論性電子加速的過程,並且知道高能電子是如何在行星磁層和宇宙中產生。

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Last Modify:2018/06/21