1958年，詹姆斯·安·范艾倫和他的團隊發(fā)現(xiàn)地球被強粒子輻射帶包圍，這些輻射帶被困在類偶極地磁場中，這一發(fā)現(xiàn)標志著我們現(xiàn)在所理解的磁層物理學的誕生。Van Allen（1983）在專著《磁層物理學的起源》中給出了關(guān)于一切發(fā)生過程的權(quán)威性描述。
第一顆人造衛(wèi)星誕生時，磁層物理學的進展非常迅速。1958年2月和3月，在探索者1號和3號上使用蓋革米勒（GeigerMller）管發(fā)現(xiàn)了內(nèi)輻射帶，1958年12月，失敗的月球探測器先驅(qū)者3號證實了這兩個輻射帶的結(jié)構(gòu)。雖然先驅(qū)者3號沒有達到逃逸速度，從10萬多公里的高度返回地球，但它兩次穿過外輻射帶，對空間輻射進行了有價值的觀測。此后不久，托馬斯·戈爾德（Gold，1959）引入了磁層一詞來描述地球磁場決定帶電粒子運動的（非球形）區(qū)域。后來，由于范艾倫在該領(lǐng)域的先鋒作用，范艾倫輻射帶被命名。
就在探索者1號發(fā)射之前三個月，蘇聯(lián)的第二顆衛(wèi)星斯普特尼克2號（Sputnik 2）攜帶了謝爾蓋·尼古拉耶維奇·埃爾諾夫（Sergei Nikolaevich Vernov）的兩個蓋革米勒管發(fā)射成功。但探索者號和先驅(qū)者號發(fā)射之前，在有限的數(shù)據(jù)量和蘇聯(lián)太空計劃的嚴格保密性等多種因素作用下，Vernov及其合作者無法解釋儀器計數(shù)率的波動（參見Baker和Panasyuk，2017）。
從一開始就很清楚，理解、監(jiān)測和預測輻射帶瞬息萬變的演化對民用和軍事空間活動都至關(guān)重要。到2020年年底，已有超過3 300顆衛(wèi)星進入軌道，并且每年有數(shù)百顆正在發(fā)射。因此，對輻射帶的認識和理解比以往任何時候都更加重要。高能微粒輻射是地球軌道衛(wèi)星故障的常見原因，對航天員的健康構(gòu)成明顯風險。事實上，衛(wèi)星操作員時不時地重新發(fā)現(xiàn)輻射帶，伴隨著不受歡迎的后果。由于地球輻射環(huán)境的強度和頻譜變化劇烈，特別是在地磁暴期間，監(jiān)測和預測輻射環(huán)境是空間氣象服務的一個關(guān)鍵要素。輻射帶提供了一個獨特的天然等離子體實驗室，用于研究基本等離子體物理過程和現(xiàn)象，包括波粒相互作用和帶電粒子加速到相對論能量的過程。
輻射帶的研究已經(jīng)進行了60多年，但其潛在的物理過程的許多細節(jié)仍然令人費解，隨著越來越詳細的觀測，人們發(fā)現(xiàn)了新的驚喜。在撰寫本卷時，由于NASA的Van Allen探測器［也稱為輻射帶風暴探測器（RBSP）］非常成功，該探測器于2012年發(fā)射，2019年停用，取得了顯著的科學進步。這項任務由兩顆衛(wèi)星組成，它們穿過外輻射帶的中心，并為此目的配備了前所未有的儀器。本書的作者對新觀測的復雜性以及隨之而來的新建模和理論方法的發(fā)展感到驚訝和困惑，正契合了這一重要而有趣的近地空間領(lǐng)域不斷擴大和深化的觀點。我們相信，現(xiàn)在正是編寫一本現(xiàn)代教科書式專著的時候，該專著將理論基礎(chǔ)與新數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，可供空間物理和工程專業(yè)的學生以及已經(jīng)活躍于或正在進入這一令人興奮的研究領(lǐng)域的年輕科學家使用。
我們強調(diào)，關(guān)于輻射帶的科學出版物數(shù)量巨大，而且增長迅速。由于本書是一本教科書，而不是對過去和現(xiàn)在文獻的全面回顧，我們試圖有選擇性地引用文獻，主要包括我們認為在陳述之后有必要的參考文獻。然而，為了致敬許多最近的貢獻，參考文獻的列表已經(jīng)比常規(guī)教科書中更長。很明顯，未來的研究將為輻射帶現(xiàn)象帶來新的曙光，并使我們這本書的部分內(nèi)容過時，甚至是錯誤的。在早期文獻中，我們想重點介紹經(jīng)典專著《帶電粒子的絕熱運動》（Northrop等，1964）、《地磁俘獲輻射動力學》（Roederer，1970）及其徹底修訂版《磁俘獲粒子動力學》（Roederer和Zhang，2014）、《輻射帶中的粒子擴散》（Michael Schulz，1974）和《磁層物理的定量方面》（Lyons和Williams，1984）。在最近的資料來源中，特別值得推薦的是Balasis等（2016）編輯的《地球空間中的波、粒子和風暴》匯編中的文章。Baker等（2017）的綜述文章對從空間天氣角度理解輻射帶的最新進展進行了全面總結(jié)。