空間磁層與磁層亞暴研究綜述

孫福玉

摘 要

磁層是天體周圍被空間等離子體包圍并受天體磁場控制的區域。磁層亞暴是磁層的高緯地區夜半側和磁尾的強烈擾動。本文從近年來磁層物理學的主要進展入手，研究空間磁層和磁層亞暴，并從定性和定量方面系統的探討了空間磁層的研究手段和磁層亞暴的幾種產生機制。總結出最佳科研手段和理論，并對我國磁層物理學的發展提出若干建議。

關鍵詞

日地系統擾動;行星際擾動結構;太陽風漲落;MHD數值模擬

中圖分類號： P353文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.092

0 前言

空間物理學主要研究太陽系中的物理現象與規律，研究空間環境以及它對人類空間活動和地球生態環境的影響。隨著全球科學技術的發展，人們利用火箭、衛星等升空工具探測高空磁場、高能粒子、等離子體等，這是磁層物理學形成和發展的基礎。

磁層是天體周圍被空間等離子體包圍并受天體磁場控制的區域。也就是說如果行星在內部產生一個顯著的磁場，那么它就有磁層。所以對于磁層的研究一般可分為兩個方向，地球磁層和行星磁層。

地球具有很強的磁場。當太陽產生的太陽風到地球附近的磁場空間時，與地球南北極產生的磁場作用，由于強作用把地球磁場包圍在一個區域內，這個區域就叫作空間磁層。因此地球磁層可定義為地球被太陽風包圍并受地球磁場控制的區域。一個行星，若它內部沒有產生較大磁場，通過電流與太陽風等離子體相互作用，則會產生它的導電電離層。

磁層亞暴是磁層的高緯地區夜半側和磁尾的強烈擾動。擾動區城包括整個磁尾、等離子體片及極光帶附近的電離層，持續時間約1～2h。在外形復雜、材料性質不同的航天器表面上會出現不等量的電位。由于磁層亞暴效應電位差高達一定數值，產生表面放電，造成電介質擊穿元器件燒毀，光學敏感面被污染，也可以以電磁脈沖的形式給航天器內外的電子元器件造成各種有害的干擾。

1 日地系統擾動多層次綜合研究

在1997年章公亮等對日地系統擾動的多層次綜合做了大量的研究。 分析了磁暴形態類型對行星際擾動的結構，包括激波、高密度結構、強磁場結構、高速流等的響應特征。討論了磁暴主相形成、延遲和消隱，及初相形成的條件，說明了磁暴形態類型對日地擾動組合結構響應的基本規律。驗證了磁膨脹與熱膨脹不同，磁膨脹是一種磁流體力學慢過程是由于新的磁通量出現所引起。根據其研究理論，太陽風必須是超磁聲速的，即超阿爾文波速流才可以。近些年絕大多數的行星際觀測是符合此理論預測的。而也有研究表明在行星際空間觀測到低速太陽風中的亞阿爾文波速流的兩個例子，用經典太陽風理論是行不通的。章公亮發現了1979年6月6日行星際強激波事件也出現亞阿爾文波速流，這是高速流中的亞阿爾文波速流的初次發現。章公亮等對磁暴發生機制及其對行星際條件響應過程的研究起了推動作用。

2 磁層亞暴的機制

隆輝、許乃懷、胡文瑞對太陽風動量的漲落對亞暴的影響做了大量的研究。通過無碰撞等離子體動力學理論，推導證實了太陽風漲落所激發的快磁聲波接近無消耗地傳過磁尾，幾乎全部消耗在等離子體片中。從而提出了太陽風漲落加熱等離子體片從而產生磁層亞暴的機制。

我們知道亞暴增長和膨脹期間的一個重要特征是等離子體片變薄，因此我國學者著重研究磁層亞暴期間等離子體片邊界層的K-H不穩定性。劉振興、丁大慶在給定流場和一定的假定條件下，分別對理想的和黏性的MHD方程進行求解，首次討論了流場對等離子體片結構的影響。提出了亞暴處于增長相時，等離子體片變薄較顯著;處在膨脹相時，一部分等離子體片仍繼續變薄。

劉振興、丁大慶用二維MHD方法應用于磁層亞暴過程，很好地解釋磁層亞暴期間等離子體片變薄和變厚等主要現象。對磁層亞暴機制的研究方式和途徑提供一種新思路對空間物理學的發展產生深遠影響。

3 近磁尾位形不穩定性（NEMTCI） 理論

從衛星探測數據可以看出，磁層亞暴可能發生在近地（6-10個地球半徑）磁尾。我國科學家分析同步高度衛星（GEOS2）的資料后發現，磁層亞暴增長相后期階段，近磁尾出現指向地球的粒子能量梯度是非常強的， 磁尾出現磁力線。增長相后期一旦極區電離層電導率突增，則該不穩定性便可在近磁尾內邊界附近發生，從而對亞暴膨脹相的觸發起關鍵性作用，這就是近磁尾位形不穩定性（NEMTCI）理論。當存在地向等離子體流時NEMTCL更容易發展，因此中磁尾重聯可通過NEMTCL觸發強磁層亞暴，這也是亞暴產生的機制之一。將中性線模型和電流中斷模型相結合，提出一個亞暴膨脹相的全球模型。從而可得出從全球過程研究亞暴機制是一個正確的選擇的結論。

4 全球MHD數值模擬

太陽風一磁層一電離層系統的演化和系統內部的耦合過程，是磁層物理學研究課題之一。我們知道太陽風一磁層一電離層系統是一個存在內部耦合的復雜動力學系統，系統中的電離層、磁層、太陽風相互作用，因此產生的磁層亞暴不是局地的現象，而是一個系統的整體行為。對系統局部區域進行亞暴的研究，基于對系統整體行為的確切理解。然而現階段觀測手段還只能是實現局部的觀測，無法對系統的整體行為做有效的監測，這是研究的一個重要短板。

科學的發展已經從定性研究轉化為定量研究，然而全球MND數值模擬是研究復雜系統中非線性相互作用的有效工具。因此對SMI系統的數值模擬將發揮越來越重要的作用。對SMI系統的數值模擬不僅能有效地解決現階段觀測手段還只能是實現局部的觀測的局限，還可以加深我們對SMI系統的基本物理過程的認識。對研究亞暴機制和行星際條件響應過程起到推動作用。

5 總結

磁層亞暴是磁層能量釋放和轉換過程的表現形式之一，是引起磁層、電離層和高層大氣擾動的主要因素，是造成電介質擊穿元器件燒毀，光學敏感面被污染的重要因素，其能對航天器內外的電子元器件造成各種有害的干擾，因此是日地空間物理研究中的核心問題。地球是人類賴以生存的家園，地球磁層是當前人類空間活動和空間開發利用的主要空間區域，同時也是人類的保護傘。地球磁層的探測和磁層亞暴的研究對空間活動的安全保障和對人類生存環境的維護有重要應用價值。

磁層亞暴機制是學術界活躍話題，其中太陽風漲落加熱等離子體片從而產生磁層亞暴的機制是一種新發現，為磁暴的研究指明新的方向。磁層亞暴是太陽風-磁層-電離層系統復雜的能量耦合過程，僅側重于局部電路系統的研究是行不通的。磁層-電離層等效電網絡模型是較為完善的電路模型，并在此基礎上發現當行星際磁場南向分量持續時間較長，可導致間歇地出現多次磁層亞暴，這對探討磁層亞暴產生機制和地球對行星際擾動的響應過程有啟發作用。

隨著科技的發展，人們發現要想闡明磁暴形態類型對行星際擾動組合結構響應的基本規律，識別磁膨脹形成的行星際結構，對亞阿爾文波速流的出現做出合理解釋，對日地系統擾動進行多層次綜合研究是必不可少的。太陽風一磁層一電離層系統是一個存在復雜內部耦合的動力學系統。提出一個亞暴膨脹相的全球模型和運用全球MHD數值模擬，對亞暴進行定量研究是大勢所趨。

形成先進的國際空間探測技術，加強觀測數據的準確性。加強國內外合作積極參與國際空間探測與研究計劃。加強理論和數值模擬研究相結合，提高研究水平和國際競爭力。磁層亞暴對太陽活動的影響，行星際擾動的全響應過程等應作為重點研究課題。

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