2015年10月3日，美国国家科学基金会的一架湾流V研究飞机在南大西洋上空、南极洲和南美洲尖端之间飞行时，记录到大气辐射急剧飙升。在11分钟内，其机载辐射探测器发现辐射水平翻倍，就好像飞机穿过了一团辐射云。
这并非孤例。自2013年以来，机载探测器已记录到57起类似的辐射爆发，每次持续时间从十分钟到一小时不等。
这些观测引发了重大问题，尤其是在机组人员面临的风险以及机载电子设备的安全运行方面。但最重要的是，科学家们想知道这些辐射爆发的原因。
辐射剂量
今天，得益于加州太空环境技术公司（Space Environment Technologies）的Kent Tobiska及其同事的研究，我们有了答案。他们研究了这些事件，并认为他们知道辐射源。
Tobiska和同事表示，他们的研究提出了关于常旅客（如机组人员）安全以及如何保护他们免受“飞机穿越辐射云”般事件影响的重要问题。
长期以来，空间科学家一直知道，地球受到来自太阳系以外的宇宙射线（Galactic Cosmic Rays）的持续高能辐射以及来自太阳的更不规律的爆发（Solar Energetic Particles）的轰击。这种辐射通常以高能电子、质子和阿尔法粒子的形式存在。
地球受到太阳磁场和自身大气层上方磁场的保护。太阳磁场减缓了大部分入射的银河辐射，而地球自身的磁场则将带电粒子引导至两极。
然而，高能粒子仍会穿透到约100公里的高层大气，在那里它们与氧原子和氮原子碰撞，产生低能电子和光子，这些电子和光子会通过链式反应级联到低层大气。这些级联在约20公里的高度达到最大强度，但在较低高度会被更厚的大气层逐渐吸收。
商用飞机在高达约10公里的高度运行，因此比地面承受更高的辐射剂量。令人担忧的是，这种辐射会使原子电离并破坏DNA，可能导致癌症等健康问题。它还会干扰电子仪器。
因此，任何新的电离辐射源都令人担忧。
尽管高空辐射问题已存在几十年，但一直没有尝试在全球范围内持续监测。因此，在2012年，美国各机构开始开发一个实时全球监测系统来测量辐射水平。该系统被称为航空航天安全自动辐射测量（ARMAS）计划，Tobiska的公司太空环境技术在该计划中发挥了关键作用。
自那时以来，该计划在全球599次飞行中进行了数十万次辐射测量。
很快就清楚，背景辐射水平并非恒定不变。相反，各种监测飞机经历了辐射的突然快速增加，然后又相对迅速地减弱。
Tobiska和同事将他们的分析集中在57起此类事件上。
他们首先将辐射爆发与地球其他地方的背景读数进行比较，以排除太阳风暴或银河宇宙射线增加是罪魁祸首的可能性。他们发现其他地方的活动并未增加。
显然，这种辐射是在离地面更近的地方产生，并且只发生在小区域。根据飞机的速度判断，这些辐射区域直径不超过1000公里。
抓获罪魁祸首
显而易见的罪魁祸首是地球的范艾伦辐射带（Van Allen radiation belts），这是磁层中捕获高能带电粒子的部分，形成了高空的等离子体海洋。与任何其他海洋一样，这种等离子体会受到环境条件的影响——即以太阳磁场变化和太阳风暴形式出现的空间天气。
这会产生湍流并形成强大的等离子体波。Tobiska和同事认为，正是这些被称为电磁离子回旋波（electromagnetic ion cyclotron waves）的等离子体波是辐射爆发的来源。
这是因为带电粒子可以“骑”在电磁离子回旋波上，得到极大的加速。任何逃逸的粒子都以强大高能辐射爆发的形式出现。事实上，等离子体波加速器是下一代粒子对撞机的兴起技术。
但是，这些爆发只朝向下，朝向地球表面，在那里地球磁场开始指向地面。这种情况只发生在极高纬度地区。结果是，观测到的辐射峰值的一个特征是它们只发生在极高纬度地区。
研究小组还发现，辐射峰值往往与空间天气湍流时期同时发生，这会促进电磁离子回旋波的形成条件。从地面也可以看到这些波的证据。
Tobiska和同事表示：“证据表明，[辐射]束是在更高海拔处，由来自范艾伦辐射带的入射相对论电子产生，而这些电子是由电磁离子回旋波产生的。”
其后果是重大的。多年来，科学家们计算了高空辐射的背景率，并确定了机组人员在这些条件下应停留的时间的安全限制。这使得他们能够安全地运行。
但这种新的辐射源可能会颠覆这些计算，特别是对于那些飞行路线偏北的机组人员。
Tobiska和同事说：“对于这些航线的机组人员和常旅客来说，净效应是每月和每年的辐射暴露量增加，这可能会对职业生涯造成健康影响。”
这一结论可能会给航空业带来巨大冲击。这种额外暴露的意义尚未计算，但这项工作必须被给予最高优先。至少，这项研究应该旨在为许多担心辐射对其健康影响的男性和女性提供清晰的答案。
参考：商用航空高度辐射事件增多： https://arxiv.org/abs/2209.05599
