在浩瀚的宇宙中，地球被两个我们看不见的“甜甜圈”包围着。这两个“甜甜圈”就是范艾伦辐射带。其中一个“甜甜圈”位于距地表640～1.2万千米处，主要包含高能质子；另一个位于地表外1.35万～5.8万千米处，主要由能量较高的电子组成。

　　范艾伦辐射带是怎么产生的？它为什么会有内外两层？又为什么长成“甜甜圈”的样子？

范艾伦辐射带的俯视示意图


范艾伦辐射带的剖面示意图（绘图/张玲）

无法逃脱的高能带电粒子

电荷在磁场中的洛伦兹运动示意图

　　范艾伦辐射带是由地球磁场截获的高能带电粒子组成的，这些粒子形成了两个圆环。

　　这里我们需要介绍一个物理规律——电荷在磁场中的洛伦兹运动：带电荷的粒子沿着磁场垂直平面运动时，会受到垂直磁场平面和运动方向的洛伦兹力，进而做回旋运动。

　　假若我们把地球的偶极磁场沿任意的经度横切，能得到一个假想的磁场平面。地球外，高能带电粒子从任意方向飞进这个磁场平面时， 它垂直磁场的速度会促使它在平面内做圆周运动，而它平行磁场的另一个速度分量不受磁场影响，会拉扯粒子偏离磁场平面。最终，粒子在这两个运动趋势的综合作用下，会沿着磁场线做回旋运动，进而被永久“冻结”在磁场线上，无法逃脱，形成了范艾伦辐射带。

地外高能带电粒子进入地球磁场后，绕着磁力线螺旋飞行，进而被“囚禁”在磁场中（供图/袁懋）

为何会有内外两层

　　太阳在剧烈“燃烧”过程中，会释放大量电子。当这些电子进入地球磁场范围时，会被捕获、“冻结”在磁力线上，形成外层的辐射带。

　　除了太阳风，深空中还存在着无数四处乱飞乱撞的宇宙射线，它们的成分通常是一些高速的带电粒子。由于它们速度足够快、质量足够大，地球磁场无法像捕获电子一样拉住它们。于是，这些粒子突破外围磁场高速冲进地球大气，与大气分子、原子发生剧烈碰撞，产生大量次级低速带正电的质子和少部分电子。这部分电子和质子会被地球近地磁场顺利捕获，从而形成了靠近地球的内层辐射带。

是极光的制造者也是航天活动的灾难

　　范艾伦辐射带中的高能带电粒子与地球大气层中的气体原子碰撞时，会激发原子释放出能量，形成绚丽多彩的极光。但范艾伦辐射带于人类航天活动而言，却是灾难。

　　辐射带上的高能带电粒子会击穿电子设备的一些导体、半导体材料，同时会直接加速元器件的老化。为了避免高能带电粒子穿透设备，又不过多增加航天设备的重量，科学家通常会给卫星或者宇宙飞船包裹一层金属防护层。

　　中国空间站运行轨道位于地球低轨道区域，高度大约在400千米，远低于范艾伦辐射带的内边界。但是，在载人登月的征途中，如何更好地保障航天员安全穿越范艾伦辐射带，是一个需要科学家不断探索的课题。

　　太阳系内其他行星周围，是否也有这样的“甜甜圈”呢？欢迎扫描二维码，告诉知力君您的答案！

　　（责任编辑 / 王佳璇　美术编辑 / 周游）

嫦娥五号表面包裹的金属防护层可以阻挡高能带电粒子。图为嫦娥五号模型