范艾倫輻射帶

在浩瀚的宇宙中，地球被兩個我們看不見的“甜甜圈”包圍著。這兩個“甜甜圈”就是范艾倫輻射帶。

其中一個“甜甜圈”位于距地表640～1.2萬千米處，主要包含高能質(zhì)子；另一個位于地表外1.35萬～5.8萬千米處，主要由能量較高的電子組成。

范艾倫輻射帶是怎么產(chǎn)生的？它為什么會有內(nèi)外兩層？又為什么長成“甜甜圈”的樣子？

無法逃脫的高能帶電粒子

范艾倫輻射帶是由地球磁場截獲的高能帶電粒子組成的，這些粒子形成了兩個圓環(huán)。

這里我們需要介紹一個物理規(guī)律——電荷在磁場中的洛倫茲運動：帶電荷的粒子沿著磁場垂直平面運動時，會受到垂直磁場平面和運動方向的洛倫茲力，進而做回旋運動。

假若我們把地球的偶極磁場沿任意的經(jīng)度橫切，能得到一個假想的磁場平面。地球外，高能帶電粒子從任意方向飛進這個磁場平面時，它垂直磁場的速度會促使它在平面內(nèi)做圓周運動，而它平行磁場的另一個速度分量不受磁場影響，會拉扯粒子偏離磁場平面。最終，粒子在這兩個運動趨勢的綜合作用下，會沿著磁場線做回旋運動，進而被永久“凍結(jié)”在磁場線上，無法逃脫，形成了范艾倫輻射帶。

為何會有內(nèi)外兩層

太陽在劇烈“燃燒”過程中，會釋放大量電子。當(dāng)這些電子進入地球磁場范圍時，會被捕獲、“凍結(jié)”在磁力線上，形成外層的輻射帶。

除了太陽風(fēng)，深空中還存在著無數(shù)四處亂飛亂撞的宇宙射線，它們的成分通常是一些高速的帶電粒子。由于它們速度足夠快、質(zhì)量足夠大，地球磁場無法像捕獲電子一樣拉住它們。于是，這些粒子突破外圍磁場高速沖進地球大氣，與大氣分子、原子發(fā)生劇烈碰撞，產(chǎn)生大量次級低速帶正電的質(zhì)子和少部分電子。這部分電子和質(zhì)子會被地球近地磁場順利捕獲，從而形成了靠近地球的內(nèi)層輻射帶。

是極光的制造者

也是航天活動的災(zāi)難

范艾倫輻射帶中的高能帶電粒子與地球大氣層中的氣體原子碰撞時，會激發(fā)原子釋放出能量，形成絢麗多彩的極光。但范艾倫輻射帶于人類航天活動而言，卻是災(zāi)難。

輻射帶上的高能帶電粒子會擊穿電子設(shè)備的一些導(dǎo)體、半導(dǎo)體材料，同時會直接加速元器件的老化。為了避免高能帶電粒子穿透設(shè)備，又不過多增加航天設(shè)備的重量，科學(xué)家通常會給衛(wèi)星或者宇宙飛船包裹一層金屬防護層。

中國空間站運行軌道位于地球低軌道區(qū)域，高度大約在400千米，遠低于范艾倫輻射帶的內(nèi)邊界。但是，在載人登月的征途中，如何更好地保障航天員安全穿越范艾倫輻射帶，是一個需要科學(xué)家不斷探索的課題。

太陽系內(nèi)其他行星周圍，是否也有這樣的“甜甜圈”呢？歡迎掃描二維碼，告訴知力君您的答案！

（責(zé)任編輯 / 王佳璇 美術(shù)編輯 / 周游）