地球磁層中能量的注入、傳輸和耗散

地球磁層是眾多人造衛(wèi)星的運行區(qū)域，同時也是人類航天器進入外太空開展深空探測的必經(jīng)之路，因此地球磁層和人類的生活密切相關。通常情況下，地球磁層是平靜的，阻擋了來自太陽的大部分高能粒子，從而使地球成為一個宜居星球。然而，在極端條件下，地球磁層變得非?；钴S且充滿能量，這些能量會損壞人造衛(wèi)星、威脅航天員、破壞地面民用設施，從而給國民經(jīng)濟帶來損失。因此，研究這些能量如何注入地球磁層、如何在地球磁層中傳輸，以及如何在磁層中耗散是空間物理領域的核心課題。北京航空航天大學曹晉濱院士和符慧山教授圍繞這三個問題展開討論，回顧了近年來國內(nèi)外的相關研究進展，提出其中存在的關鍵科學問題，闡述了其中涉及的模型和方法，并介紹了與此相關的衛(wèi)星探測計劃，目的是把地球磁層中的能量注入、能量傳輸、能量耗散有機地串聯(lián)起來，呈現(xiàn)一個完整的磁層能量鏈條，揭開磁層能量鏈條與空間天氣事件之間的關系，為空間天氣預報業(yè)務提供參考。該項成果發(fā)表在《中國科學：地球科學》2025年第2期。

地球周圍的空間環(huán)境非常危險，來自太陽和星際空間的高能粒子無時無刻不在侵擾地球。這些高能粒子具有很強的穿透能力和輻射效應。然而，身處如此危險的空間環(huán)境中，地球上依然生機盎然，這主要是因為地球存在一個磁層（如圖1所示）。該磁層阻擋了大部分高能粒子，從而把地球上的人類和其它物種保護起來，使地球成為一個宜居星球。然而，在行星際磁場南向期間，地球磁層（也稱為地球“保護傘”）會被破壞，一部分高能粒子能夠進入磁層，到達近地空間，從而給人類的航天活動和國民經(jīng)濟帶來損失。因此，揭示這些能量如何注入地球磁層、如何在磁層中進行傳輸、以及如何耗散在磁層中非常必要。

圖1 地球磁層示意圖

地球磁層中的能量注入主要歸因于磁層頂重聯(lián)和磁尾重聯(lián)，即方向相反的兩組磁力線相互靠近、斷裂、并重新聯(lián)接的過程。在三維空間，磁重聯(lián)的形狀為“放射狀”；而在二維空間，它的形狀為“X線”。這一拓撲形狀在磁重聯(lián)過程中發(fā)生改變。描述磁重聯(lián)的模型有Sweet-Parker模型、Petschek模型和Hall模型。其中，Hall模型被認為是最合理的模型，但同時也是一個跨尺度模型。磁重聯(lián)能夠驅(qū)動亞暴、加速高能電子和轉(zhuǎn)換電磁能量，其中驅(qū)動亞暴通過磁尾電流楔來完成；加速高能電子則通過費米加速、betatron加速、平行電場加速、磁島融合加速等機制來實現(xiàn)；電磁能量轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在O點（即磁通量繩），而非X點（圖2）。

圖2 磁重聯(lián)過程中的能量轉(zhuǎn)換及其發(fā)生位置

地球磁層能量傳輸?shù)闹饕d體是爆發(fā)性整體流和偶極化鋒面。爆發(fā)性整體流是指速度超過150 km/s的磁尾高速流，而偶極化鋒面則是鑲嵌在爆發(fā)性整體流中的一個磁場結(jié)構(gòu)。從統(tǒng)計上看，爆發(fā)性整體流傳輸?shù)哪芰空颊麄€磁尾能量輸運的60%-90%，而偶極化鋒面?zhèn)鬏數(shù)哪芰靠梢哉急l(fā)性整體流的65%甚至更多。這種能量傳輸可以分解為宏觀和微觀兩種形式。分析宏觀能量傳輸使用磁流體力學方法，而分析微觀能量傳輸則使用動理論方法。當爆發(fā)性整體流的速度越大時，微觀能量占比越??；當流的速度越小時，微觀能量占比越大（圖3）。因此，分析磁層能量傳輸必須結(jié)合使用磁流體力學方法和動理論方法。

圖3 爆發(fā)性整體流攜帶的宏觀能量和微觀能量及其比例分配

地球磁層中能量耗散的主要后果是激發(fā)等離子體波。具體來說，從磁尾注入內(nèi)磁層的超熱粒子和原有粒子混合后形成了非麥克斯韋分布。這種分布不穩(wěn)定，容易引起能量耗散并激發(fā)各種波動，例如嘶聲波、合聲波、電磁離子回旋波、靜電回旋諧波、快磁聲波。其中，嘶聲波是雜亂無結(jié)構(gòu)的哨聲模波動；合聲波為離散升調(diào)(或者降調(diào))的哨聲模波動；電磁離子回旋波也是離散升調(diào)的波模，主要出現(xiàn)在等離子體羽流中；靜電回旋諧波是一種頻率為電子回旋頻率的半整數(shù)倍的波模；快磁聲波是一種頻率為離子回旋頻率的整數(shù)倍的波模，其既可以體現(xiàn)為雜亂無結(jié)構(gòu)的形式、也可以體現(xiàn)為離散升調(diào)的形式（圖4）。

圖4 離散升調(diào)快磁聲波的典型頻譜特征

地球磁層中的能量注入、能量傳輸、能量耗散這三個過程有機串聯(lián)起來，形成了一個完整的磁層能量鏈條。該鏈條是空間天氣預報的理論基礎。

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符慧山, 曹晉濱. 2025. 地球磁層中能量的注入、傳輸和耗散. 中國科學: 地球科學, 55(2): 367–396