英熱單位

[拼音]：diqiu ciceng

[英文]：Earth，s magnetosphere

在地球周圍被太陽風包圍並受地球磁場控制的區域。它是地球控制區域的最外層，也是直接承受太陽風擾動的區域。

地球磁層的概念最早是英國地球物理學家S.查普曼在20世紀30年代提出的。他根據地磁臺記錄到的磁暴的形態及其與太陽活動的關係，推測太陽常常噴發出由帶電粒子組成的微粒流，而在微粒流經過地球時，帶電粒子受到地磁場的偏轉作用，形成一個被它包圍的空腔。1939年，瑞典物理學家H.阿爾文計算了帶電粒子在地球磁場和均勻電場作用下的運動軌跡，也提出在地球周圍存在一個被帶電粒子流所包圍的空腔。50年代末和60年代初，人造地球衛星對地球附近的磁場和帶電粒子所進行的探測，證實了地球磁層的存在，並描繪了它的大小、形狀和結構（如圖）。

結構

磁層由磁層頂、等離子體幔、磁尾、中性片、等離子體片、等離子體層等部分組成。另外，在磁層頂外面還存在弓激波和磁鞘。

磁層頂是磁層的外邊界，其向陽一側約呈一橢球面，地球位於它的一個焦點上，背陽一側是略扁的向外略張開的圓筒形。該圓筒形所圍成的空腔稱為磁尾。在磁層頂的兩側，平均磁場的大小和方向、起伏磁場的幅度、帶電粒子的密度和溫度都有明顯的差別。磁層頂位置一般用它兩側的總壓力平衡條件來推算。總壓力是等離子體的動壓力、靜壓力和磁壓力之和。磁層頂外側的太陽風等離子體的動壓力，遠比靜壓力及磁壓力為大。磁層頂內側磁壓力遠大於等離子體動壓力和靜壓力。因此，近似的平衡條件為太陽風動壓力和磁層頂內側磁壓力相等，由此來確定磁層頂的位置和形狀。在平靜的太陽風中，磁層頂在日地聯線上離地心的距離大約為10個地球半徑，在兩極，磁層頂離地心的距離約為13～14個地球半徑。磁尾的截面半徑約為20個地球半徑，它的長度可達1000個地球半徑。太陽風在發生激烈擾動的時候，密度和速度都可能大大增強，磁層的體積亦隨之被大大壓縮，這時日地聯線上的磁層頂位置可能退縮到離地心只有六、七個地球半徑的地方。即使太陽寧靜的時候，地球軌道附近的太陽風平均速度也高達300～400公里／秒，而這裡的阿爾文波速和聲速只有30～40公里／秒左右。因此，當這個超音速的等離子體流受到磁層阻擋時，在磁層的上游方向約幾個地球半徑處，形成一個相對磁層頂靜止的弓形駐激波，稱為弓激波。太陽風等離子體通過弓激波後，經壓縮和加熱，充滿弓激波和磁層頂之間的空間，形成磁鞘。

磁層的磁場

太陽風中的帶電粒子在磁層頂被偏折而形成磁層頂電流，它的效應是將地磁場遮蔽在磁層頂以內，在離地心四、五個地球半徑以內的區域，由於地磁場很強，它的影響還不顯著，地球磁場基本上仍是偶極子磁場，只是向陽面和背陽面有些不對稱。在這以外的區域中，磁場完全偏離了原來的偶極子磁場結構。在向陽側正午子午面上，有兩個點叫中性點，南北半球各一個，位於緯度約60°處。中性點附近區域磁場很弱。通過中性點附近區域的磁力線，與地球表面交於緯度79°附近。從地球表面緯度更高的區域出來的磁力線，向背陽方向彎曲，成為磁尾中的磁力線。在磁尾中，磁力線幾乎和赤道面平行，在赤道面以北磁力線指向地球，稱為磁尾的北瓣；在赤道面以南磁力線背離地球，稱為磁尾的南瓣。在赤道面附近形成一個與赤道面平行的磁場強度很弱的區域，叫中性片。由磁尾的這種磁場結構推測，在赤道面可能存在電流片。在地球軌道附近的行星際磁場只有約5納特，對磁層頂位形的影響可以忽略不計，但它對磁層內磁場結構的影響卻非常大，在這一問題上目前有兩種截然不同的理論。一種認為，磁層內的磁場不與行星際磁場溝通，磁層因而是封閉的，即所謂“閉磁層模式”。另一種認為，行星際磁場能夠通過擴散或其他過程進入磁層，並和磁層磁場疊加在一起，行星際磁場的方向、強度以及它進入磁層的程度的不同，可以使磁層磁場有不同的結構。按照這種理論，磁層磁力線是和行星際磁力線溝通的，即所謂“開磁層模式”。

磁層的電流

磁層中大尺度電流有 4個系統。

（1）磁層頂電流。是由太陽風粒子沿磁層邊界偏折或漂移流動而維持的。它的存在使得磁層具有十分明顯的邊界。向陽側磁層頂的電流密度約在10安／公里2的量級。

（2）中性片電流。是由等離子體片粒子漂移所維持的，它把磁尾分隔成磁場方向相反的兩瓣。在20個地球半徑磁尾處，電流強度有 105安／地球半徑的量級。

（3）環電流。是繞地球的東西方向流動的電流，是由捕獲在地磁場中的低能質子（幾萬電子伏）所維持的。環電流的向地球側的內邊界比較分明。磁靜時環電流總量約106安，而發生磁層亞暴時可增強數倍。

（4）場向電流。是沿地磁力線流動的電流。它是磁層與電離層間電學效能耦合影響的主要渠道。

磁層中大尺度電場總是與磁力線相垂直的，其強度非常弱，只有毫伏每米量級，而且隨時間和空間的變化很激烈。磁靜日電場有3個主要區域，即開磁力線區電場、閉磁力線區電場和共轉電場。開磁力線與極蓋區相連。開磁場區電場主要是晨昏電場（也稱對流電場），即由黎明區指向黃昏區。閉磁力線區電場方向在黃昏部分指向極區，在黎明部分指向赤道。共轉電場是由於地磁場內帶電粒子隨地球自轉所產生的。等離子體層內的共轉電場是沿徑向並指向地心的。

磁層電場最主要的來源是太陽風。太陽風攜帶行星際磁場運動，通過發電機作用，在磁層頂處產生電場。磁層電場的另一來源是地球旋轉，產生共轉電場。此外，電離層風也能在地磁場中通過發電機效應產生電場，耦合到磁層中來。

帶電粒子分佈

在磁層中存在大量帶電粒子，能量較高的組成輻射帶，能量較低的也聚集在幾個區域內。在磁層頂的中性點附近，由於磁場比較弱，磁鞘內的帶電粒子可以一直深入到地球附近，形成漏斗形的極尖區，或者認為它是在緯度方向有一定寬度的狹縫而叫極隙區。在向陽面磁層頂內側也測量到等離子體，它們的特徵與磁鞘等離子體不同，稱為等離子體幔。在磁尾中性片兩側各存在一個等離子體密度較高的區域，叫等離子體片。它與赤道面平行，形狀似平板，厚度約10個地球半徑。在靠近地球一端，其邊界在赤道面上離地心約七、八個地球半徑，從這裡沿磁力線像一對鉗子一樣伸向南北半球的高緯度，與地球表面交於極光卵形帶。在低緯度區還存在一個等離子體層與電離層相連，緊緊地包圍著地球。它是在1963年由卡彭特 (D.L.Carpenter)根據哨聲記錄中鼻哨的特點發現並命名的（見哨聲和甚低頻發射）。等離子體層有明確的外邊界，叫等離子體層頂，等離子體密度在這裡急劇下降，由內側的102～103離子對／釐米3下降到外側的100離子對／釐米3以下。當磁層處於寧靜狀態的時候，等離子體層頂在赤道上約位於離地心五、六個地球半徑的地方，在黃昏部分稍稍向外突出，整個等離子體層頂是沿磁力線分佈的。在磁層發生擾動時，等離子體層頂向地球收縮，擾動越大，收縮得越厲害。收縮到最小的時候，在赤道面上僅有2個地球半徑。在等離子體層頂和磁尾等離子體片之間，等離子體密度較低的區域，稱為等離子體槽。在極蓋區，電離層的帶電粒子沿磁力線向外擴散，形成向外的等離子體流，稱極風或極地風。

磁層中的波動

在磁層的等離子體中，存在多種型別的等離子體波，包括靜電波和電磁波。這些波中，有的只是在有限區域內傳播，隨離波源距離的增加而迅速衰減，如離子迴旋諧振波、離子聲波等；有的能在整個磁層內傳播，如阿爾文波、離子迴旋波等；還有可以傳播到磁層外的輻射波，如極光加速區中產生的千米波輻射。這些波有的在磁層頂由太陽風的擾動所激發，有的是由磁層內的不穩定過程所激發，還有的是大氣中的雷電過程所激發。它們表現為週期在0.2～600秒之間的地磁脈動和頻率在20千赫以下的哨聲與甚低頻發射，從地面和人造地球衛星上都能觀測到。磁層中波的特性不僅反映了等離子體波的激發源特徵，而且反映了傳播路徑上等離子體的特徵。因此，對磁層中的波動的探測是瞭解磁層中等離子體特性的重要手段之一。

磁層的擾動

太陽常常噴發出密度和速度都比平靜時大得多的等離子體流，它引起地球磁層劇烈的擾動，即磁層暴。這時磁層被壓縮，地球磁場也隨之發生劇烈的變化，即發生磁暴或磁層亞暴。同時高能帶電粒子和等離子體的分佈亦發生很大的變化。例如，磁尾中的等離子體片變薄，厚度由五、六個地球半徑變到二、三個地球半徑，然後在磁層暴的後期再逐漸恢復。等離子體層頂向地球收縮，高溫等離子體由磁尾註入內磁層，使等離子體片靠近地球的一端向地球移動。同時在離地心3～5個地球半徑處形成環電流，它主要由能量為幾萬電子伏的質子組成，在地磁場中向西漂移而攜帶西向電流。磁層內磁場強度的起伏變化和磁場結構的變化，以及波和粒子之間的相互作用，大量帶電粒子注入極區高層大氣，使高層大氣中的中性成分激發或電離，導致電離層電子密度異常，引起電離層暴。

研究意義

太陽活動通過等離子體和高能粒子對地球環境有重要影響。太陽風的粒子首先進入磁層，然後再通過磁層傳遞到電離層和高層大氣，甚至影響到低層大氣中的天氣過程。

地球磁層是人造地球衛星、載人飛船和導彈武器的主要活動區域，磁層環境對它們有著重要的影響。組成輻射帶的高能帶電粒子對人體和飛行器都可能造成輻射損傷。高溫等離子體可以使飛行器充電，造成數千伏以上的高壓，干擾飛行器的正常工作，甚至造成永久性的破壞。飛行器在等離子體中高速飛行時能激發等離子體波，成為探測飛行器的一種可能的手段。當飛行器具有磁矩時，地球磁場對它產生扭轉力矩，改變飛行器的姿態。在已知地球磁場的條件下，又可以利用地磁場來測定和改變飛行器的姿態。

磁層暴時地磁場的劇烈擾動，可使地面上的輸電線路、通訊電纜和輸油管道感生強大的電流並可能引起意外故障。磁層中的高能粒子注入極區電離層時，引起電離層的擾動，會干擾無線電通訊。

所以，在空間物理學中對地球磁層的研究佔有重要地位。

參考書目

S.-I.Akasofu and S.Chapman， Solar-terrestrial Physics， Oxford Univ.Press，London，1972.

A.Egeland et al.， Cosmical Geophysics， Univ.Forlaget，Oslo，1973.