说说南大西洋异常带

直到上周接触费米空间望远镜的数据处理之前，本人对南大西洋异常区（South Atlantic Anomaly，简称SAA）这个名词是听都没有听说过，结果在学习数据筛选的时候与它打了个照面：筛选待分析时段最关键的一条标准就是航天器要处于南大西洋异常区以外，否则数据质量严重受到影响。那么这个异常区究竟是怎么一回事？说到SAA就不能不提范艾伦辐射带。这是环绕着地球的带电粒子带，分为内外两区。对它的研究可以追溯到太空时代到来之前，很早就有人从理论上讨论在地球附近束缚粒子存在的可能性了。真正发现它的存在还要等到美国的第一颗卫星——探险者1号升空之后。辐射带随即以发现者范艾伦命名。稍后的探险者4号就先驱者3号则第一次测绘了辐射带的结构。范艾伦辐射带的成因是地球磁场的磁镜效应对带电粒子的束缚。整个辐射带大致分为内外两区，外区距离地表3至10倍地球半径，内区是0.01到1.5倍地球半径。两区的粒子成分各不相同：内区以质子为主，外区以电子为主。当然，两区的成因也不一样，内区质子一般认为是宇宙线与高层大气相互作用产生的中子衰变的产物，而外区电子由地磁暴注入。内外区之间的空隙则可以归结为低频波的作用。当年探险者1号发现的只是内区，外区的发现还要留待后来的探险者4号和人造地球卫星2号来完成。范艾伦辐射带的基本结构。（图片来源：Wikipedia）众所周知，地球磁轴与自转轴不重合，且磁轴并非通过地球中心，因此很自然地，辐射带也不是严格对称的结构，在不同位置上，其内缘与地面的距离是不尽相同的。南大西洋异常带正是范艾伦辐射带内区与地表距离最近（最低200千米左右）的地方。SAA分布在南纬-50度到0度，西经90度到东经40度之间，大致覆盖大半个南美洲，外加美洲和非洲之间的洋面，具体位置与磁场高度有关。这里对应地磁场较弱的区域，弱场不能有效地阻止带电粒子靠近地球，因此粒子可以到达距离地表更近的地方。作为比较，在SAA对侧的强磁场区，辐射带距离地表最高，高度可达1200千米左右。由于处在范艾伦辐射带之内，南大西洋异常带的特点是带电粒子流量要比同高度其他地方来得更高。所有经过此区域的低轨道航天器实际上都要通过辐射带，并经受高能粒子的频繁轰击（每秒每平方厘米要接收3000余个能量在数十MeV的带电粒子）。这首先会导致放电，进而影响星载电子设备的工作。如果是载人航天器，那么必须采取可靠的防护措施，避免人体遭受辐射损伤，比如国际空间站为此额外加强了防护系统。低轨道上0.5 MeV以上高能粒子计数分布图，低纬度区域的大片红色表示南大西洋异常带的位置。（图片提供：NASA/SAMPEX satellite）对于科研卫星来说，SAA的影响尤甚。除了放电以外，粒子的轰击可以让探测器产生虚假信号，因此卫星在SAA期间的观测十分不可靠。为避免辐射带中电子的干扰，哈勃空间望远镜在通过SAA时干脆关闭高工作电压的探测器，由此要损失15%的轨道时间，实属无奈之举；而对于费米望远镜这种结构与粒子探测器无异的高能光子望远镜来说，这种干扰只会更严重，即便可以观测，也无法采集有效数据，所以处理数据时必须将途经SAA期间的那一部分删除掉。至于因为SAA的影响暂时失灵的卫星更是不在少数。实际的异常带范围和辐射强度随时在发生变化。由于太阳风的影响，一般正午时分辐射强度最大。SAA还会以每年0.3度的速度向西漂移，这与地核和地壳的较差自转相符合。而且自从50年代末发现以来，可能由于地磁场减弱的缘故，SAA的西北和东北边缘有扩展的趋势。伦琴X射线卫星曾经测绘过SAA的结构和强度，卫星还为此配备有专用的南大西洋异常带探测器（South Atlantic Anomaly Detector，SAAD）。当年驻扎在和平号空间站上的宇航员还通过统计带电粒子轰击视网膜导致的闪光，帮助分析过辐射带在其中的作用，不过结果却让人感到有些意外：闪光既不能完全归结为辐射带中的质子，也无法完全由重离子解释。这样看来，关于SAA和辐射带，需要研究的问题还有许多。内容来自 Bo Zhang's Homepage

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