本書對地球輻射帶物理學最新的相關理論和觀測數(shù)據(jù)（截至2020年）進行了詳細闡述、分析，尚屬國內(nèi)首次。該書因系統(tǒng)性闡述了輻射帶物理學的基礎知識、波粒相互作用的原理與過程，并將理論基礎與新的觀測數(shù)據(jù)結(jié)合得出新的結(jié)論和觀點。主要介紹了輻射帶的磁場和等離子體環(huán)境、磁層動力學、帶電粒子在磁場中運動的基本原理、等離子體物理學的基本概念和內(nèi)磁層中最重要的速度空間分布函數(shù)等輻射帶物理學基礎概念原理。在描述內(nèi)磁層等離子體波的一般現(xiàn)象以及波模式基礎上，將基礎理論與新觀測數(shù)據(jù)結(jié)合，討論了不同波（包括哨聲波、電磁離子回旋波、等離子層嘶聲波、赤道磁聲波）的驅(qū)動因素、不同波模式對輻射帶粒子源和損失的作用、電子帶的結(jié)構(gòu)和演化等問題。

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域的年輕科學家使用。
我們強調(diào)，關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)。

Hannu E.J.Koskinen和Emilia K.J.Kilpua是赫爾辛基大學理學院的空間物理學教授。
1979年，Hannu在赫爾辛基大學的一門宇宙電動力學課程中學習了磁場中的粒子動力學。1981年，他搬到瑞典東南部城市烏普薩拉，在瑞典空間物理研究所烏普薩拉分部工作了6年多，期間參與了1986年2月發(fā)射的瑞典第一顆磁層衛(wèi)星維京號（Viking）低頻波儀器的建造。1985年，在Rolf Bostr�塵指導下，獲烏普薩拉大學博士學位。這一時期，他受到了Hannes Alfvén的思想影響，并對導向中心近似理論產(chǎn)生興趣。1987年，在維京號任務取得巨大成功后，Hannu返回芬蘭，在芬蘭氣象研究所（FMI）從事初興的太空研究工作。1997年，在芬蘭氣象研究所供職的同時擔任赫爾辛基大學物理系空間物理學教授。20142017年期間，擔任赫爾辛基大學物理系主任。2018年，以名譽教授身份退休。Hannu已教授空間物理、經(jīng)典力學、經(jīng)典電動力學等課程超過三十年，并為所授課程都編寫了芬蘭語教材，此外還與Emilia Kilpua合作撰寫了英文教材《等離子體物理導論》（Introduction to Plasma Physics）并由赫爾辛基大學學生組織 Limes r.y 出版。2011年，他的專著《空間風暴物理學從太陽表面到地球》通過Springer/Praxis出版，是本書的主要參考著作之一。Hannu參加了十幾個航天器儀器項目，用于研究地球、火星、金星和丘留莫夫格拉西門科彗星（comet Churyumov-Gerasimenko）的等離子體環(huán)境。他曾在歐洲空間局擔任多個職位，包括太陽系工作組成員（19931996年）、科學計劃委員會國家代表（20022016年）、空間態(tài)勢感知計劃委員會成員（20102016年），并于20112014年擔任空間態(tài)勢感知計劃委員會主席。Hannu是芬蘭科學與文學學會、芬蘭科學與人文院、歐洲科學院和國際宇航學會的成員。
20世紀90年代末，Emilia在赫爾辛基大學物理系師從Hannu Koskinen，并選擇太陽活動及其對磁層的影響作為她的碩士和博士研究課題，從此涉足空間物理學。她于2005年獲得博士學位，之后在加州大學伯克利分�？臻g科學實驗室開始了為期3年的博士后研究。在那里，她在Janet Luhmann和Stuart Bale的指導下，利用最新的多個航天器的觀測成果，研究行星際空間中的太陽爆發(fā)活動。20092015年，擔任芬蘭科學院研究員。2015年被芬蘭赫爾辛基大學物理系聘為空間物理學終身副教授，2020年晉升為教授。當范艾倫探測器在2012年獲得首次有效觀測結(jié)果后，Emilia帶領當?shù)乜臻g物理研究小組研究了磁層動力學領域不同太陽風驅(qū)動因素如何影響輻射帶。Emilia為本科生及博士生開設了不同層次的空間物理課程，并為大學一年級學生講授電磁學導論，也是前文提到的教材《等離子體物理導論》（Introduction to Plasma Physics）的主要作者。Emilia在輻射帶和太陽活動領域指導了幾名博士生和博士后。20172022年，Emilia獲得著名的歐洲研究理事會聯(lián)合資助來研究太陽磁通量繩及其磁鞘，并擔任芬蘭可持續(xù)空間卓越研究中心的小組負責人（20182023年）。Emilia還是芬蘭科學與人文院的成員。

第1章輻射帶及其環(huán)境1
1.1輻射帶全貌1
1.2地球磁環(huán)境3
1.2.1偶極場3
1.2.2磁層電流系統(tǒng)導致的偶極場偏離5
1.2.3地磁活動指數(shù)8
1.3磁層粒子和等離子體9
1.3.1外磁層10
1.3.2內(nèi)磁層10
1.3.3宇宙射線12
1.4磁層動力學13
1.4.1磁層對流14
1.4.2地磁風暴16
1.4.3亞暴18第2章近地空間中的帶電粒子20
2.1導向中心近似20
2.2漂移運動22
2.2.1EB漂移22
2.2.2梯度和曲率漂移22
2.3磁層電場的漂移24
2.4絕熱不變量27
2.4.1第一絕熱不變量28
2.4.2第二絕熱不變量31
2.4.3第三絕熱不變量33
2.4.4回旋加速和費米加速34
2.5偶極場中的帶電粒子35
2.6漂移殼39
2.6.1彈跳和漂移損失錐39
2.6.2漂移殼分裂和磁層頂陰影40
2.7在隨時間變化的近兩極場中的絕熱漂移運動42第3章從帶電粒子到等離子體物理學45
3.1基本等離子體概念45
3.1.1德拜屏蔽45
3.1.2等離子體振蕩47
3.2基本等離子體理論47
3.2.1弗拉索夫和玻爾茲曼方程48
3.2.2宏觀變量和方程49
3.2.3磁流體動力學方程51
3.3從粒子通量到相空間密度52
3.4重要的分布函數(shù)54
3.4.1漂移和各向異性的麥克斯韋分布55
3.4.2損失錐和蝴蝶分布56
3.4.3卡帕分布57
3.5作用積分和相空間密度58第4章內(nèi)磁層中的等離子體波60
4.1輻射帶的波環(huán)境60
4.2弗拉索夫描述中的波61
4.2.1弗拉索夫方程的朗道解61
4.2.2朗繆爾波的朗道阻尼64
4.2.3朗道阻尼的物理解釋65
4.2.4磁化等離子體中弗拉索夫方程的解法66
4.3冷等離子體波71
4.3.1磁化等離子體中的冷等離子體波的色散方程72
4.3.2平行傳播（=0）74
4.3.3垂直傳播（=/2）76
4.3.4在任意波法向角下的傳播77
4.4磁流體動力學波78
4.4.1阿爾文波的色散方程78
4.4.2MHD Pc4～Pc5超低頻波81
4.5波模式的總結(jié)84第5章內(nèi)磁層中波的驅(qū)動因素與性質(zhì)85
5.1波的增長和衰減85
5.1.1宏觀不穩(wěn)定性86
5.1.2速度空間不穩(wěn)定性86
5.1.3波粒相互作用的共振88
5.2哨聲模和EMIC波的驅(qū)動因素90
5.2.1各向異性驅(qū)動哨聲波91
5.2.2哨聲模合聲波93
5.2.3合聲波激發(fā)的雙頻結(jié)構(gòu)94
5.2.4啁啾的形成和非線性增長96
5.2.5合聲波的空間分布97
5.2.6各向異性驅(qū)動EMIC波98
5.2.7多離子種類和 EMIC波99
5.3等離子層嘶聲和磁聲噪聲100
5.3.1等離子體層嘶聲波的驅(qū)動100
5.3.2赤道磁聲波噪聲105
5.4超低頻Pc4～Pc5波的驅(qū)動因素107
5.4.1外部與內(nèi)部驅(qū)動因素107
5.4.2超低頻波的空間分布111第6章粒子源與損失過程114
6.1粒子散射和擴散114
6.2波粒相互作用的準線性理論117
6.2.1福克普朗克理論的要素117
6.2.2準線性理論中的弗拉索夫方程119
6.2.3不同坐標下的擴散方程121
6.3環(huán)電流與輻射帶離子123
6.3.1環(huán)電流離子的來源123
6.3.2環(huán)電流離子的損失125
6.3.3輻射帶離子的來源與損失126
6.4電子的傳輸與加速128
6.4.1超低頻波的徑向擴散128
6.4.2超低頻波對電子的加速作用130
6.4.3（,p）空間中的擴散系數(shù)132
6.4.4大振幅哨聲波與EMIC波對電子的擴散作用133
6.4.5合聲波對電子的加速作用136
6.5電子損失138
6.5.1磁層頂陰影138
6.5.2等離子層中哨聲波引起的電子損失139
6.5.3合聲波與電子微暴引起的電子損失142
6.5.4EMIC波引起的電子損失145
6.6不同加速和損失過程在相空間密度的顯示147
6.7不同波模式的協(xié)同效應148
6.8波驅(qū)動粒子來源與損失的總結(jié)151第7章電子帶動力學153
7.1輻射帶電子布居153
7.2標稱電子帶結(jié)構(gòu)及其動力學154
7.3輻射帶動力學的太陽風驅(qū)動因素159
7.3.1大尺度日球?qū)咏Y(jié)構(gòu)的性質(zhì)及其地磁響應160
7.3.2大尺度日球?qū)铀沧円�起的典型輻射帶響�?63
7.4電子帶之間的槽165
7.4.1源電子和種子電子注入槽區(qū)165
7.4.2不可逾越的屏障166
7.5存儲環(huán)和多電子帶168
7.6高能電子向大氣中沉降170附錄A電磁場與波175
A.1洛侖茲力和麥克斯韋方程175
A.2線性介質(zhì)中的電磁波177
A.3冷非磁化等離子體中的色散方程178附錄B衛(wèi)星與數(shù)據(jù)源181參考文獻185學術(shù)名詞索引200