地球上的闪电，可以触发太空中的“杀手电子雨”

撰文｜凯特·格雷厄姆-肖（Kate Graham-Shaw）

翻译｜林清

新研究表明，闪电可以在低地球轨道触发一场威力巨大的“杀手电子雨”，形成有害的辐射流。此前，科学家认为，杀手电子只能出现在外辐射带，但发表在《自然·通讯》（Nature Communications）的一项研究表明，闪电也会在更靠近地球的内辐射带激发杀手电子。

“这些高能粒子对宇宙飞船和太空中的宇航员都很危险，”该研究的共同作者、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（Lauren Blum）表示，“了解地球内辐射带何时会存在高能电子，将有助于我们知道何时需要规避它。”

地球辐射带的形状有点像一个甜甜圈，由被地球磁场捕获的高能粒子组成。当带电粒子脱离了束缚，就会发生电子沉降（electron precipitation）。当时还是科罗拉多大学博尔德分校一名本科生的马克斯·费恩兰（Max Feinland，这项研究的通讯作者）仔细对照了美国航空航天局（NASA）太阳异常性/磁层粒子探索器（SAMPEX）任务中关于带电粒子的数据，他注意到1996年至2006年间的“微爆发”（microburst）读数有些异常。费恩兰设计了一款算法，找到了数据中对应的所有峰值，他震惊地发现有些读数竟然来自内辐射带——许多科学家认为那里只有能量较低、速度较慢的电子。费恩兰和布卢姆（费恩兰当时的研究导师）立刻开始推测可能的原因。“人们知道地球内辐射带存在闪电引发的电子沉降，”费恩兰说道，但“由于电子移动速度太快，他们最终并没有将其视为电子沉降”。

研究者将这些微爆发数据与美国闪电定位网（National Lightning Detection Network）的数据集进行了比对，他们发现，内辐射带的微爆发频率确实与闪电放电相吻合。闪电释放的电磁波从大气层沿地球磁场的磁感线向上传播，进入内辐射带，它们的能量足以使高能电子摆脱磁约束。

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的空间天气学家史蒂文·莫利（Steven Morley）表示，这项发现很吸引人，因为此前从未有人将这两种现象关联起来。他补充说，因为自20年前SAMPEX任务结束以来，该领域几乎没有相关的测量任务，所以能够获取的数据极为有限。但他认为，这项研究依然“得到了非常令人兴奋的结果”。

布卢姆表示，这些发现为地球和空间的天气如何关联敲响了“警钟”，这可能会对臭氧层、大气化学成分甚至地球气候产生影响。“我们不能孤立研究日地关系和地球辐射带，”她说。“我们也必须了解在大气层和地表天气系统中发生了什么。”

本文选自《环球科学》2025年01月刊“前沿”栏目。