1958年，詹姆斯·安·范艾倫和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)地球被強(qiáng)粒子輻射帶包圍，這些輻射帶被困在類偶極地磁場(chǎng)中，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著我們現(xiàn)在所理解的磁層物理學(xué)的誕生。Van Allen（1983）在專著《磁層物理學(xué)的起源》中給出了關(guān)于一切發(fā)生過(guò)程的權(quán)威性描述。
第一顆人造衛(wèi)星誕生時(shí)，磁層物理學(xué)的進(jìn)展非常迅速。1958年2月和3月，在探索者1號(hào)和3號(hào)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(cè)器先驅(qū)者3號(hào)證實(shí)了這兩個(gè)輻射帶的結(jié)構(gòu)。雖然先驅(qū)者3號(hào)沒(méi)有達(dá)到逃逸速度，從10萬(wàn)多公里的高度返回地球，但它兩次穿過(guò)外輻射帶，對(duì)空間輻射進(jìn)行了有價(jià)值的觀測(cè)。此后不久，托馬斯·戈?duì)柕拢℅old，1959）引入了磁層一詞來(lái)描述地球磁場(chǎng)決定帶電粒子運(yùn)動(dòng)的（非球形）區(qū)域。后來(lái)，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(hào)發(fā)射之前三個(gè)月，蘇聯(lián)的第二顆衛(wèi)星斯普特尼克2號(hào)（Sputnik 2）攜帶了謝爾蓋·尼古拉耶維奇·埃爾諾夫（Sergei Nikolaevich Vernov）的兩個(gè)蓋革米勒管發(fā)射成功。但探索者號(hào)和先驅(qū)者號(hào)發(fā)射之前，在有限的數(shù)據(jù)量和蘇聯(lián)太空計(jì)劃的嚴(yán)格保密性等多種因素作用下，Vernov及其合作者無(wú)法解釋儀器計(jì)數(shù)率的波動(dòng)（參見Baker和Panasyuk，2017）。
從一開始就很清楚，理解、監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)輻射帶瞬息萬(wàn)變的演化對(duì)民用和軍事空間活動(dòng)都至關(guān)重要。到2020年年底，已有超過(guò)3 300顆衛(wèi)星進(jìn)入軌道，并且每年有數(shù)百顆正在發(fā)射。因此，對(duì)輻射帶的認(rèn)識(shí)和理解比以往任何時(shí)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(duì)航天員的健康構(gòu)成明顯風(fēng)險(xiǎn)。事實(shí)上，衛(wèi)星操作員時(shí)不時(shí)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(qiáng)度和頻譜變化劇烈，特別是在地磁暴期間，監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)輻射環(huán)境是空間氣象服務(wù)的一個(gè)關(guān)鍵要素。輻射帶提供了一個(gè)獨(dú)特的天然等離子體實(shí)驗(yàn)室，用于研究基本等離子體物理過(guò)程和現(xiàn)象，包括波粒相互作用和帶電粒子加速到相對(duì)論能量的過(guò)程。
輻射帶的研究已經(jīng)進(jìn)行了60多年，但其潛在的物理過(guò)程的許多細(xì)節(jié)仍然令人費(fèi)解，隨著越來(lái)越詳細(xì)的觀測(cè)，人們發(fā)現(xiàn)了新的驚喜。在撰寫本卷時(shí)，由于NASA的Van Allen探測(cè)器［也稱為輻射帶風(fēng)暴探測(cè)器（RBSP）］非常成功，該探測(cè)器于2012年發(fā)射，2019年停用，取得了顯著的科學(xué)進(jìn)步。這項(xiàng)任務(wù)由兩顆衛(wèi)星組成，它們穿過(guò)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(duì)新觀測(cè)的復(fù)雜性以及隨之而來(lái)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(kuò)大和深化的觀點(diǎn)。我們相信，現(xiàn)在正是編寫一本現(xiàn)代教科書式專著的時(shí)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(xué)生以及已經(jīng)活躍于或正在進(jìn)入這一令人興奮的研究領(lǐng)域的年輕科學(xué)家使用。
我們強(qiáng)調(diào)，關(guān)于輻射帶的科學(xué)出版物數(shù)量巨大，而且增長(zhǎng)迅速。由于本書是一本教科書，而不是對(duì)過(guò)去和現(xiàn)在文獻(xiàn)的全面回顧，我們?cè)噲D有選擇性地引用文獻(xiàn)，主要包括我們認(rèn)為在陳述之后有必要的參考文獻(xiàn)。然而，為了致敬許多最近的貢獻(xiàn)，參考文獻(xiàn)的列表已經(jīng)比常規(guī)教科書中更長(zhǎng)。很明顯，未來(lái)的研究將為輻射帶現(xiàn)象帶來(lái)新的曙光，并使我們這本書的部分內(nèi)容過(guò)時(shí)，甚至是錯(cuò)誤的。在早期文獻(xiàn)中，我們想重點(diǎn)介紹經(jīng)典專著《帶電粒子的絕熱運(yùn)動(dòng)》（Northrop等，1964）、《地磁俘獲輻射動(dòng)力學(xué)》（Roederer，1970）及其徹底修訂版《磁俘獲粒子動(dòng)力學(xué)》（Roederer和Zhang，2014）、《輻射帶中的粒子擴(kuò)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(lái)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(fēng)暴》匯編中的文章。Baker等（2017）的綜述文章對(duì)從空間天氣角度理解輻射帶的最新進(jìn)展進(jìn)行了全面總結(jié)。