9月7日—發現范艾倫輻射帶的人
范艾倫輻射帶 (Van Allen radiation belt) 是太陽風與宇宙射線襲來,其中的帶電粒子被地球磁場捕獲,而在地球周圍形成兩個甜甜圈狀的區域。外面那圈以0.1–10 MeV (百萬電子伏特) 的高能電子為主,分布於地球上方1萬3千公里至6萬公里處;裡面那圈則從地球上方1千公里延伸至1萬2千公里,包含超過100 MeV的高能質子與數百 KeV的電子。
范艾倫輻射帶像是防護罩般,避免大氣層受到高能粒子破壞,也保護生物免於受到輻射傷害,是地球生機盎然的重要關鍵。它的名稱就是以發現者范艾倫(James Van Allen)的姓氏命名,不過他能夠發現卻是源自一連串的意外。
范艾倫於1914年9月7日 出生於美國愛荷華州的一個小農場,他自小就相當著迷於電氣設備,還曾自製特斯拉線圈,發出30公分長的火花,把母親嚇壞了。高中畢業後,范艾倫報考海軍學院,筆試成績名列前茅,原本以為可以如願錄取,卻在體檢時因扁平足而被刷下來,他不得已才轉念愛荷華衛斯理安學院(Iowa Wesleyan College)。當其他準大學生莫不趁著暑假呼朋引伴大肆玩樂,他卻帶著借來的磁力儀,跑遍所住的亨利郡,繪製各處的地磁圖。

范艾倫1939年取得博士學位後,進入卡內基研究所研究地磁。過沒多久,第二次世界大戰爆發,他在軍方的委託下,轉而研發基於雷達原理的近炸引信(Proximity fuze),讓炮彈和魚雷在靠近目標時才引爆;後來原子彈也用了此一技術。美國參戰後,范艾倫以海軍中尉的官階加入南太平洋艦隊,一圓當初從軍的夢想,還因阻擋神風特攻隊的攻擊有功,最後以海軍少校退伍。
戰後范艾倫加入約翰霍普金斯大學,在應用物理實驗室成立一個小組,利用從德國繳獲的V2火箭研究高空大氣,又回到他原本最愛的地球科學。1950年,幾位物理學家在范艾倫家中聚會時,大夥兒決定發起「國際地理物理年」(International Geophysical Year)的跨國活動,屏除國家利益與政治立場,各國科學家攜手合作,利用雷達、火箭、計算機等新技術,觀測各種與我們息息相關的自然現象。
活動日期訂於1957年7月到1958年底之間,因為預估此時正是太陽黑子最活躍的時候。美國政府在逐漸掌握火箭技術後,也表示響應國際地理物理年,將在活動期間發射衛星探測宇宙射線。隨著時間迫近,正當大家引頸期盼之際,沒想到一直默不吭聲的蘇聯竟在1957年10月4日這一天,搶先發射了世上第一顆人造衛星「史普尼克一號」(Sputnik 1)。
沒人知道蘇聯這顆衛星的用途是什麼,美國政府尤其擔心,無論是為了面子或裡子,一定得趕緊追上才行。1958年1月31日,美國的第一顆人造衛星「探索者一號」(Explorer 1)成功發射,裡頭放了范艾倫改良的蓋格計數器,用以偵測宇宙射線。

原本大家預期少了大氣層的阻隔,人造衛星應該會偵測到更強的宇宙射線,沒想到傳回來的資料顯示,探索者一號在500公里高度時,蓋格計數器的讀數的確一如預期,但在2,000公里高度時,讀數竟然是零。
為了確認資料傳送是否受到宇宙射線干擾,兩個月後發射的探索者三號上,加裝了磁帶記錄器,結果也是如此。范艾倫猜測是因為宇宙射線過強,導致蓋格計數器過載而失靈,於是他在探索者四號上的蓋格計數器前方多加一層鉛片,並加裝可偵測不同能量之電子和質子的儀器。范艾倫從這四個獨立的輻射偵測器所記錄的數據,確認了地球原來被高能輻射帶包圍著。
范艾倫輻射帶的發現對於往後的太空探索非常重要,因為輻射帶內充滿高能粒子,對於太空人與儀器設備都會造成損傷,知道此一事實之後,才會在進行太空任務或是衛星佈署時,採取必要的防護措施。
回顧起來,用范艾倫的姓氏命名這輻射帶真是理當如此,因為這項發現不僅出自范艾倫所設計的儀器,也是源自他於1950年發起的國際地理物理年;甚至更早,始自1932年那位在烈日下努力繪製地磁圖的少年。
參考資料:
