在最近发表于《自然通讯》（Nature Communications）的一项新研究种，来自美国加州大学洛杉矶分校的科学家们发现了一种新的超高速高能电子源，其散发出来的电子一方面为北极光“锦上添花”，另一方面也对卫星、航天器和宇航员构成威胁。

研究人员利用ELFIN微型卫星观察到了来自近地轨道的意外快速“电子降水”。ELFIN是两颗微型卫星，由本科生和研究生在一小队导师的指导下在加州大学洛杉矶分校校园内建造和运行。

通过将ELFIN数据与美国国家航空航天局（NASA）的忒弥斯（THEMIS）航天器进行的远距离观测相结合，科学家们确定，这场突如其来的倾盆大雨是由哨声波引起的。哨声波是一种电磁波，在太空中穿过等离子体，影响地球磁层中的电子，导致它们“溢出”到大气中。这项研究表明哨声波造成的电子雨，比当前的理论和空间天气模型预测的要多得多。

“ELFIN是首先测量这些超快电子的卫星，”加州大学洛杉矶分校地球、行星和空间科学系研究员张晓佳说。“由于该任务在产生它们的一系列事件中的独特优势，它正在产生新的见解。”

这一系列事件的核心是近地空间环境，其中充满了围绕着地球运行的带电粒子，称为范艾伦辐射带，其中的电子以螺旋状的方式在地球南北两极之间跳跃。在某些条件下，辐射带内会产生哨声波，激发并加速电子。这有效地延长了电子的传播路径，以至于它们从辐射带中掉落并沉淀到大气中，从而产生电子雨。

加州大学洛杉矶分校（UCLA）空间物理学教授、埃尔芬的主要研究员瓦西里斯·安杰洛普洛斯（Vassilis Angelopolous）说，人们可以把范艾伦带想象成一个装满水或电子的大水库。水库蓄水后，水会周期性地螺旋下降到泄压排水沟中，以防止水库溢流。但是，当水库中出现大浪时，晃动的水溢出边缘，速度更快，体积也更大。ELFIN位于位于两个流的下游，能够正确地测量每个流的流量。

ELFIN卫星进行的低空电子雨测量，结合空间中对哨声波的THEMIS观测和复杂的计算机建模，使团队能够详细了解这些波导致电子迅速流入大气层的过程。这些发现尤其重要，因为当前的理论和空间天气模型虽然考虑了进入大气层的其他电子源，但无法预测这种额外的哨声波诱导的电子流，它可能会影响地球的大气化学，对航天器构成风险，并对低轨道卫星造成损坏。

研究人员进一步表明，在地磁暴期间，这种辐射带向大气的电子损失会显著增加。地磁暴是由增强的太阳活动引起的扰动，会影响近地空间和地球的磁环境。

安杰洛普洛斯说：“虽然人们普遍认为太空与高层大气是分离的，但两者之间有着不可分割的联系。了解它们之间的联系有助于帮助通过该地区的卫星和宇航员降低风险，这对商业航天和太空旅游越来越重要。”

自2013成立以来，超过300名加州大学洛杉矶分校的学生一直致力于ELSN（电子损失和实地调查）。这两个微型卫星于2018年发射入轨道，每颗大小跟一条面包差不多，重约3.6千克，此后一直在观测高能电子的活动，并帮助科学家更好地了解磁暴在近地空间的影响。

科林·威尔金斯（Colin Wilkins）是这项最新研究的合著者，也是ELFIN卫星的仪器负责人，也是地球、行星和空间科学系的空间物理学博士生，他说：“利用我们自己制造的硬件中的数据来增加我们对空间科学的知识是非常有益的。”

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