本书对地球辐射带物理学最新的相关理论和观测数据（截至2020年）进行了详细阐述、分析，尚属国内首次。该书因系统性阐述了辐射带物理学的基础知识、波粒相互作用的原理与过程，并将理论基础与新的观测数据结合得出新的结论和观点。主要介绍了辐射带的磁场和等离子体环境、磁层动力学、带电粒子在磁场中运动的基本原理、等离子体物理学的基本概念和内磁层中最重要的速度空间分布函数等辐射带物理学基础概念原理。在描述内磁层等离子体波的一般现象以及波模式基础上，将基础理论与新观测数据结合，讨论了不同波（包括哨声波、电磁离子回旋波、等离子层嘶声波、赤道磁声波）的驱动因素、不同波模式对辐射带粒子源和损失的作用、电子带的结构和演化等问题。
1958年，詹姆斯·安·范艾伦和他的团队发现地球被强粒子辐射带包围，这些辐射带被困在类偶极地磁场中，这一发现标志着我们现在所理解的磁层物理学的诞生。Van Allen（1983）在专著《磁层物理学的起源》中给出了关于一切发生过程的权威性描述。
第一颗人造卫星诞生时，磁层物理学的进展非常迅速。1958年2月和3月，在探索者1号和3号上使用盖革米勒（GeigerMller）管发现了内辐射带，1958年12月，失败的月球探测器先驱者3号证实了这两个辐射带的结构。虽然先驱者3号没有达到逃逸速度，从10万多公里的高度返回地球，但它两次穿过外辐射带，对空间辐射进行了有价值的观测。此后不久，托马斯·戈尔德（Gold，1959）引入了磁层一词来描述地球磁场决定带电粒子运动的（非球形）区域。后来，由于范艾伦在该领域的先锋作用，范艾伦辐射带被命名。
就在探索者1号发射之前三个月，苏联的第二颗卫星斯普特尼克2号（Sputnik 2）携带了谢尔盖·尼古拉耶维奇·埃尔诺夫（Sergei Nikolaevich Vernov）的两个盖革米勒管发射成功。但探索者号和先驱者号发射之前，在有限的数据量和苏联太空计划的严格保密性等多种因素作用下，Vernov及其合作者无法解释仪器计数率的波动（参见Baker和Panasyuk，2017）。
从一开始就很清楚，理解、监测和预测辐射带瞬息万变的演化对民用和军事空间活动都至关重要。到2020年年底，已有超过3 300颗卫星进入轨道，并且每年有数百颗正在发射。因此，对辐射带的认识和理解比以往任何时候都更加重要。高能微粒辐射是地球轨道卫星故障的常见原因，对航天员的健康构成明显风险。事实上，卫星操作员时不时地重新发现辐射带，伴随着不受欢迎的后果。由于地球辐射环境的强度和频谱变化剧烈，特别是在地磁暴期间，监测和预测辐射环境是空间气象服务的一个关键要素。辐射带提供了一个独特的天然等离子体实验室，用于研究基本等离子体物理过程和现象，包括波粒相互作用和带电粒子加速到相对论能量的过程。
辐射带的研究已经进行了60多年，但其潜在的物理过程的许多细节仍然令人费解，随着越来越详细的观测，人们发现了新的惊喜。在撰写本卷时，由于NASA的Van Allen探测器［也称为辐射带风暴探测器（RBSP）］非常成功，该探测器于2012年发射，2019年停用，取得了显著的科学进步。这项任务由两颗卫星组成，它们穿过外辐射带的中心，并为此目的配备了前所未有的仪器。本书的作者对新观测的复杂性以及随之而来的新建模和理论方法的发展感到惊讶和困惑，正契合了这一重要而有趣的近地空间领域不断扩大和深化的观点。我们相信，现在正是编写一本现代教科书式专著的时候，该专著将理论基础与新数据结合在一起，可供空间物理和工程专业的学生以及已经活跃于或正在进入这一令人兴奋的研究领域的年轻科学家使用。
我们强调，关于辐射带的科学出版物数量巨大，而且增长迅速。由于本书是一本教科书，而不是对过去和现在文献的全面回顾，我们试图有选择性地引用文献，主要包括我们认为在陈述之后有必要的参考文献。然而，为了致敬许多最近的贡献，参考文献的列表已经比常规教科书中更长。很明显，未来的研究将为辐射带现象带来新的曙光，并使我们这本书的部分内容过时，甚至是错误的。在早期文献中，我们想重点介绍经典专著《带电粒子的绝热运动》（Northrop等，1964）、《地磁俘获辐射动力学》（Roederer，1970）及其彻底修订版《磁俘获粒子动力学》（Roederer和Zhang，2014）、《辐射带中的粒子扩散》（Michael Schulz，1974）和《磁层物理的定量方面》（Lyons和Williams，1984）。在最近的资料来源中，特别值得推荐的是Balasis等（2016）编辑的《地球空间中的波、粒子和风暴》汇编中的文章。Baker等（2017）的综述文章对从空间天气角度理解辐射带的最新进展进行了全面总结。
Hannu E.J.Koskinen和Emilia K.J.Kilpua是赫尔辛基大学理学院的空间物理学教授。
1979年，Hannu在赫尔辛基大学的一门宇宙电动力学课程中学习了磁场中的粒子动力学。1981年，他搬到瑞典东南部城市乌普萨拉，在瑞典空间物理研究所乌普萨拉分部工作了6年多，期间参与了1986年2月发射的瑞典第一颗磁层卫星维京号（Viking）低频波仪器的建造。1985年，在Rolf Bostrm指导下，获乌普萨拉大学博士学位。这一时期，他受到了Hannes Alfvén的思想影响，并对导向中心近似理论产生兴趣。1987年，在维京号任务取得巨大成功后，Hannu返回芬兰，在芬兰气象研究所（FMI）从事初兴的太空研究工作。1997年，在芬兰气象研究所供职的同时担任赫尔辛基大学物理系空间物理学教授。20142017年期间，担任赫尔辛基大学物理系主任。2018年，以名誉教授身份退休。Hannu已教授空间物理、经典力学、经典电动力学等课程超过三十年，并为所授课程都编写了芬兰语教材，此外还与Emilia Kilpua合作撰写了英文教材《等离子体物理导论》（Introduction to Plasma Physics）并由赫尔辛基大学学生组织 Limes r.y 出版。2011年，他的专著《空间风暴物理学从太阳表面到地球》通过Springer/Praxis出版，是本书的主要参考著作之一。Hannu参加了十几个航天器仪器项目，用于研究地球、火星、金星和丘留莫夫格拉西门科彗星（comet Churyumov-Gerasimenko）的等离子体环境。他曾在欧洲空间局担任多个职位，包括太阳系工作组成员（19931996年）、科学计划委员会国家代表（20022016年）、空间态势感知计划委员会成员（20102016年），并于20112014年担任空间态势感知计划委员会主席。Hannu是芬兰科学与文学学会、芬兰科学与人文院、欧洲科学院和国际宇航学会的成员。
20世纪90年代末，Emilia在赫尔辛基大学物理系师从Hannu Koskinen，并选择太阳活动及其对磁层的影响作为她的硕士和博士研究课题，从此涉足空间物理学。她于2005年获得博士学位，之后在加州大学伯克利分校空间科学实验室开始了为期3年的博士后研究。在那里，她在Janet Luhmann和Stuart Bale的指导下，利用最新的多个航天器的观测成果，研究行星际空间中的太阳爆发活动。20092015年，担任芬兰科学院研究员。2015年被芬兰赫尔辛基大学物理系聘为空间物理学终身副教授，2020年晋升为教授。当范艾伦探测器在2012年获得首次有效观测结果后，Emilia带领当地空间物理研究小组研究了磁层动力学领域不同太阳风驱动因素如何影响辐射带。Emilia为本科生及博士生开设了不同层次的空间物理课程，并为大学一年级学生讲授电磁学导论，也是前文提到的教材《等离子体物理导论》（Introduction to Plasma Physics）的主要作者。Emilia在辐射带和太阳活动领域指导了几名博士生和博士后。20172022年，Emilia获得著名的欧洲研究理事会联合资助来研究太阳磁通量绳及其磁鞘，并担任芬兰可持续空间卓越研究中心的小组负责人（20182023年）。Emilia还是芬兰科学与人文院的成员。
第1章辐射带及其环境1
1.1辐射带全貌1
1.2地球磁环境3
1.2.1偶极场3
1.2.2磁层电流系统导致的偶极场偏离5
1.2.3地磁活动指数8
1.3磁层粒子和等离子体9
1.3.1外磁层10
1.3.2内磁层10
1.3.3宇宙射线12
1.4磁层动力学13
1.4.1磁层对流14
1.4.2地磁风暴16
1.4.3亚暴18第2章近地空间中的带电粒子20
2.1导向中心近似20
2.2漂移运动22
2.2.1EB漂移22
2.2.2梯度和曲率漂移22
2.3磁层电场的漂移24
2.4绝热不变量27
2.4.1第一绝热不变量28
2.4.2第二绝热不变量31
2.4.3第三绝热不变量33
2.4.4回旋加速和费米加速34
2.5偶极场中的带电粒子35
2.6漂移壳39
2.6.1弹跳和漂移损失锥39
2.6.2漂移壳分裂和磁层顶阴影40
2.7在随时间变化的近两极场中的绝热漂移运动42第3章从带电粒子到等离子体物理学45
3.1基本等离子体概念45
3.1.1德拜屏蔽45
3.1.2等离子体振荡47
3.2基本等离子体理论47
3.2.1弗拉索夫和玻尔兹曼方程48
3.2.2宏观变量和方程49
3.2.3磁流体动力学方程51
3.3从粒子通量到相空间密度52
3.4重要的分布函数54
3.4.1漂移和各向异性的麦克斯韦分布55
3.4.2损失锥和蝴蝶分布56
3.4.3卡帕分布57
3.5作用积分和相空间密度58第4章内磁层中的等离子体波60
4.1辐射带的波环境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朗缪尔波的朗道阻尼64
4.2.3朗道阻尼的物理解释65
4.2.4磁化等离子体中弗拉索夫方程的解法66
4.3冷等离子体波71
4.3.1磁化等离子体中的冷等离子体波的色散方程72
4.3.2平行传播（=0）74
4.3.3垂直传播（=/2）76
4.3.4在任意波法向角下的传播77
4.4磁流体动力学波78
4.4.1阿尔文波的色散方程78
4.4.2MHD Pc4～Pc5超低频波81
4.5波模式的总结84第5章内磁层中波的驱动因素与性质85
5.1波的增长和衰减85
5.1.1宏观不稳定性86
5.1.2速度空间不稳定性86
5.1.3波粒相互作用的共振88
5.2哨声模和EMIC波的驱动因素90
5.2.1各向异性驱动哨声波91
5.2.2哨声模合声波93
5.2.3合声波激发的双频结构94
5.2.4啁啾的形成和非线性增长96
5.2.5合声波的空间分布97
5.2.6各向异性驱动EMIC波98
5.2.7多离子种类和 EMIC波99
5.3等离子层嘶声和磁声噪声100
5.3.1等离子体层嘶声波的驱动100
5.3.2赤道磁声波噪声105
5.4超低频Pc4～Pc5波的驱动因素107
5.4.1外部与内部驱动因素107
5.4.2超低频波的空间分布111第6章粒子源与损失过程114
6.1粒子散射和扩散114
6.2波粒相互作用的准线性理论117
6.2.1福克普朗克理论的要素117
6.2.2准线性理论中的弗拉索夫方程119
6.2.3不同坐标下的扩散方程121
6.3环电流与辐射带离子123
6.3.1环电流离子的来源123
6.3.2环电流离子的损失125
6.3.3辐射带离子的来源与损失126
6.4电子的传输与加速128
6.4.1超低频波的径向扩散128
6.4.2超低频波对电子的加速作用130
6.4.3（,p）空间中的扩散系数132
6.4.4大振幅哨声波与EMIC波对电子的扩散作用133
6.4.5合声波对电子的加速作用136
6.5电子损失138
6.5.1磁层顶阴影138
6.5.2等离子层中哨声波引起的电子损失139
6.5.3合声波与电子微暴引起的电子损失142
6.5.4EMIC波引起的电子损失145
6.6不同加速和损失过程在相空间密度的显示147
6.7不同波模式的协同效应148
6.8波驱动粒子来源与损失的总结151第7章电子带动力学153
7.1辐射带电子布居153
7.2标称电子带结构及其动力学154
7.3辐射带动力学的太阳风驱动因素159
7.3.1大尺度日球层结构的性质及其地磁响应160
7.3.2大尺度日球层瞬变引起的典型辐射带响应163
7.4电子带之间的槽165
7.4.1源电子和种子电子注入槽区165
7.4.2不可逾越的屏障166
7.5存储环和多电子带168
7.6高能电子向大气中沉降170附录A电磁场与波175
A.1洛仑兹力和麦克斯韦方程175
A.2线性介质中的电磁波177
A.3冷非磁化等离子体中的色散方程178附录B卫星与数据源181参考文献185学术名词索引200
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