[科普中國(guó)]-磁層頂

定義

磁層頂（magnetopause）是太陽(yáng)風(fēng)和磁層的交界區(qū)，它區(qū)分出太陽(yáng)風(fēng)和磁層的磁場(chǎng)和等離子體。

磁層頂外側(cè)行星際磁場(chǎng)較小，太陽(yáng)風(fēng)等離子體密度較大、溫度較低；磁層頂內(nèi)側(cè)磁層內(nèi)側(cè)磁層磁場(chǎng)較大，等離子體密度較小、溫度較高。位于南北半球的極尖區(qū)是太陽(yáng)風(fēng)等離子體直接進(jìn)入磁層的通道。

磁層頂是太陽(yáng)風(fēng)和磁層相互作用的主要區(qū)域，兩者相互作用產(chǎn)生了多層次和多尺度結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致太陽(yáng)風(fēng)不斷向磁層傳輸能量、動(dòng)量和質(zhì)量，太陽(yáng)風(fēng)磁層耦合過(guò)程像發(fā)電機(jī)一樣在磁層產(chǎn)生電流和電場(chǎng)并驅(qū)動(dòng)了磁層里大尺度的對(duì)流。1

基本特征1931年，Chapman和Ferraro在研究地磁暴時(shí)就預(yù)言地球磁層頂存在，并指出磁層頂大小受太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓控制。當(dāng)時(shí)，他們認(rèn)為來(lái)自太陽(yáng)的微粒流是間歇性的，僅發(fā)生在太陽(yáng)活動(dòng)期間，因而產(chǎn)生的地球磁層頂也具有間歇性。1951年，Bierman通過(guò)對(duì)彗尾分析表明，太陽(yáng)風(fēng)是任何時(shí)候都存在的。這也就說(shuō)明了地球磁層頂具有永久性特點(diǎn)。在隨后年代期間，地球磁層頂存在被大量觀測(cè)衛(wèi)星所證實(shí)。2

磁層頂電流片

圖1畫出了Explorer 12 衛(wèi)星在1961年9月13號(hào)所觀測(cè)到磁場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)天，Explorer 12衛(wèi)星磁層頂穿越發(fā)生在日下點(diǎn)附近，地方時(shí)為12點(diǎn)處。根據(jù)磁場(chǎng)大小及方向突變可知，圖1所顯示磁層頂穿越點(diǎn)到地球距離大約為Re（Re為地球半徑）。圖1也給出了磁層頂內(nèi)側(cè)磁場(chǎng)大致為地球偶極場(chǎng)理論模型預(yù)報(bào)值的兩倍，說(shuō)明了磁層頂電流片對(duì)地球磁場(chǎng)屏蔽作用。3

磁層頂電流片概念最早起源于Chapman和Ferraro。圖2顯示了北半球Chapman-Ferraro電流片分布示意圖，同時(shí)也給出了磁層頂電流產(chǎn)生原因。根據(jù)早期封閉模型，假設(shè)太陽(yáng)風(fēng)沒(méi)有磁場(chǎng)情況下，在太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子和電子開始穿入地球磁場(chǎng)過(guò)程中，它們將各自受洛倫茨力作用而發(fā)生相反方向偏轉(zhuǎn)反射，形成了磁層頂電流。在磁層頂白天一側(cè)，磁層頂電流由兩個(gè)渦旋電流組成，南北半球各一個(gè)，其渦旋中心在極隙區(qū)處。從太陽(yáng)方向往地球看去，北半球磁層頂電流逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，南半球磁層頂順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。根據(jù)簡(jiǎn)單平面磁層頂模型可知，磁層頂電流片厚度大致為1個(gè)離子回旋半徑。不過(guò)，最初的模型過(guò)于簡(jiǎn)單，并非自洽的，而且忽略了太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)和磁層內(nèi)等離子體存在。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)，磁層頂厚度大致為幾個(gè)到幾十個(gè)離子回旋半徑，從幾百公里到上千公里。4

磁層頂位形

在近地空間磁赤道面上，磁層頂形態(tài)大致可用橢圓方程來(lái)描述。然而，近地空間磁層頂位形并非呈旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱形狀。根據(jù)磁層頂穿越數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，高緯磁層頂尺度要比低緯磁層頂尺度小。然而，高緯磁層頂是否存在內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，他們的結(jié)論并沒(méi)有達(dá)成一致。根據(jù)Safrankova等人分析結(jié)果，表明高緯磁層頂在極隙區(qū)附近存在內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，在通常太陽(yáng)風(fēng)條件下，其內(nèi)凹深度大約為2.5 - 4 Re左右。根據(jù)Zhou和Russell分析，得到并無(wú)跡象表明高緯磁層頂位形存在內(nèi)凹結(jié)構(gòu)。根據(jù)以往磁層頂數(shù)值計(jì)算結(jié)果，均表明高緯磁層頂存在內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，其三維內(nèi)凹結(jié)構(gòu)如圖3所示。不過(guò)需要指出的是，在六七十年代磁層頂數(shù)值計(jì)算并沒(méi)有考慮磁層內(nèi)部電流對(duì)地球磁場(chǎng)影響。對(duì)于遠(yuǎn)磁尾磁層頂位形，大致可看成旋轉(zhuǎn)圓柱面形狀，在各種太陽(yáng)風(fēng)條件下，其圓面半徑大致在20到40 Re之間。通過(guò)對(duì)Pionner 7 遠(yuǎn)磁尾磁場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果分析，Villante得到磁尾磁層頂位形可延伸到1000Re左右。3

根據(jù)以往大量磁層頂穿越數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在通常太陽(yáng)風(fēng)條件下，磁層頂日下點(diǎn)距離大約在10 - 11Re之間；在極弱的太陽(yáng)風(fēng)條件下，可達(dá)14Re；在極端太陽(yáng)風(fēng)條件下，磁層頂可被壓縮到6.6Re以內(nèi)。低緯磁層頂位形主要受太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓和行星際磁場(chǎng)南北分量影響。根據(jù)以往大多數(shù)低緯磁層頂經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?dāng)太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓增加時(shí)，整個(gè)磁層受到壓力增強(qiáng)，使磁層頂尺度減小，但磁層頂形狀基本保持不變。南向行星際磁場(chǎng)可通過(guò)磁重聯(lián)方式剝蝕白天一側(cè)磁通量并傳輸?shù)奖酬?yáng)面，從而造成白天一側(cè)日下點(diǎn)距離減小磁尾磁層頂張角增加。南向行星際磁場(chǎng)對(duì)日下點(diǎn)侵蝕過(guò)程具有飽和性，即當(dāng)南向行星際磁場(chǎng)強(qiáng)到一定程度之，日下點(diǎn)距離基本不再隨著南向行星際磁場(chǎng)增強(qiáng)而減小。大多數(shù)低緯磁層頂經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫奖毕蛐行请H磁場(chǎng)基本不影響磁層頂日下點(diǎn)距離，但對(duì)于北向行星際磁場(chǎng)是否影響磁尾磁層頂張角，目前結(jié)論不一。對(duì)高緯磁層頂位形來(lái)講,由于地磁偶極傾角擺動(dòng)會(huì)造成整個(gè)地球磁場(chǎng)擺動(dòng)，對(duì)極隙區(qū)位置及南北方向磁尾磁場(chǎng)不對(duì)稱性改變特別明顯，從而影響高緯磁層頂位形，如圖4所示。3

研究歷史理論模型對(duì)于磁層頂位形研究，理論模型要比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)展的早，主要集中在60年代以及70年代初期。這些理論模型主要基于磁層頂兩邊太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓（或磁鞘壓強(qiáng)）和磁層頂內(nèi)側(cè)磁層磁壓相互平衡理論。這些理論模型大多可給出較好的全球磁層頂基本形態(tài)，為磁層頂位形經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)展和完善提供了方向，但定量結(jié)果大多與實(shí)際觀測(cè)差別比較大。

理論模型之間結(jié)果差別，主要源于所采用地球磁場(chǎng)模型不同、計(jì)算近似方法不同或其它的相關(guān)假設(shè)不同。值得提出的是，在1999年，Sotrielis和Meng采用了Tsyganenko 1996磁場(chǎng)模型來(lái)計(jì)算磁層頂位形，該模型能夠反映太陽(yáng)風(fēng)及地磁指數(shù)對(duì)磁層頂位形影響，在計(jì)算過(guò)程中不僅考慮了磁層頂表面電流影響，同時(shí)還考慮了越尾電流、環(huán)電流和場(chǎng)向電流影響。對(duì)于磁層頂位形理論計(jì)算，還有年代之后更加復(fù)雜的數(shù)值模擬。3

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投炕拇艑禹斀?jīng)驗(yàn)建模是從70年代開始的。按照模型是否能夠反映上游太陽(yáng)風(fēng)變化劃分，其整個(gè)發(fā)展過(guò)程可分為三個(gè)階段：（1）靜態(tài)磁層頂經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停唬?）準(zhǔn)動(dòng)態(tài)磁層頂經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；?）動(dòng)態(tài)磁層頂經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

靜態(tài)磁層頂經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢H能給出平均磁層頂位形。準(zhǔn)動(dòng)態(tài)磁層頂經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎锰?yáng)風(fēng)數(shù)據(jù)分組方法，分別擬合出各組磁層頂平均位形，因此，可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)變化對(duì)磁層頂位形影響。動(dòng)態(tài)磁層頂經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蛎枋鲞B續(xù)太陽(yáng)風(fēng)變化對(duì)磁層頂位形影響。3