1958年，詹姆斯·安·范艾倫和他的團(tuán)隊發(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)生過程的權(quán)威性描述。
第一顆人造衛(wèi)星誕生時，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(dá)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(jìn)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(yán)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(yù)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(jìn)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(rèn)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(fēng)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(qiáng)度和頻譜變化劇烈，特別是在地磁暴期間，監(jiān)測和預(yù)測輻射環(huán)境是空間氣象服務(wù)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(jìn)行了60多年，但其潛在的物理過程的許多細(xì)節(jié)仍然令人費解，隨著越來越詳細(xì)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(fēng)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(xué)進(jìn)步。這項任務(wù)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(fù)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(kuò)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(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，而且增長迅速。由于本書是一本教科書，而不是對過去和現(xiàn)在文獻(xiàn)的全面回顧，我們試圖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。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(xiàn)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(xué)》（Roederer，1970）及其徹底修訂版《磁俘獲粒子動力學(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)。