磁層和太陽風2014b

1、磁層結構與性質磁層結構與性質 太陽風與磁層的相互作用等效于磁流體與太陽風與磁層的相互作用等效于磁流體與地磁場的相互作用地磁場的相互作用太陽風在地球的向日面太陽風在地球的向日面壓縮壓縮地球偶極子地磁場地球偶極子地磁場在夜晚一側把地磁場在夜晚一側把地磁場拉伸拉伸成一個長長的尾狀結成一個長長的尾狀結構，延伸到構，延伸到-1000Re處處磁層結構示意圖磁層結構示意圖磁層邊界層磁層邊界層離子特性離子特性整個磁層頂表面整個磁層頂表面，包括磁層頂、極尖，包括磁層頂、極尖、等離子體幔、低緯邊界層區(qū)域、等離子體幔、低緯邊界層區(qū)域離子沿背日方向運動離子沿背日方向運動密度和溫度介于磁鞘等離子體和磁層密度和溫度介于磁

2、鞘等離子體和磁層等離子體之間等離子體之間 u磁層頂是地磁場和迎面而來的太陽風之間的磁層頂是地磁場和迎面而來的太陽風之間的邊界，由太陽風向磁層內(nèi)等離子體輸運的動量邊界，由太陽風向磁層內(nèi)等離子體輸運的動量和能量必須經(jīng)過磁層頂。和能量必須經(jīng)過磁層頂。u當太陽風當太陽風- -磁層系統(tǒng)處于平衡態(tài)時，外部磁層系統(tǒng)處于平衡態(tài)時，外部太太陽風的動壓陽風的動壓，在界面上的每一點都等于，在界面上的每一點都等于磁層內(nèi)磁層內(nèi)部地磁場的磁壓部地磁場的磁壓。由此，可以得出磁層邊界面。由此，可以得出磁層邊界面位置的地心距離，所得到的邊界即是磁層頂。位置的地心距離，所得到的邊界即是磁層頂。磁層頂位置的確定（磁層頂位置的確定（

3、1）磁層頂位置的確定（磁層頂位置的確定（2） 由由太陽風動壓太陽風動壓與與地磁場的磁壓地磁場的磁壓的平衡條件的平衡條件共同決定：共同決定：因為太陽風的粒子動能密度遠大于磁能密因為太陽風的粒子動能密度遠大于磁能密度，不考慮太陽風的磁壓密度度，不考慮太陽風的磁壓密度因為磁層的粒子動能密度遠小于磁能密度因為磁層的粒子動能密度遠小于磁能密度，不考慮磁層的粒子動能密度，不考慮磁層的粒子動能密度 如果太陽風中離子數(shù)密度是Np(m-3)，離子的質量是mp(kg)，以速度vsw(m/s)行進，在日地連線上與地磁場相遇，速度與磁殼的法線方向夾角為。假定發(fā)生地磁場鏡反射，每一個反射粒子給磁層頂?shù)膭恿繛?mpvsw

4、cos ，單位時間入射的粒子數(shù)為npvswcos ，于是太陽風在入射時對磁層頂單位面積上的壓力為2mpnpv2swcos2 ，它應該與磁壓平衡，即：磁層頂位置的確定（磁層頂位置的確定（3）20nVSW磁層頂磁層頂 假定在地球軌道處赤道面內(nèi)，太陽風質子的平均質量為假定在地球軌道處赤道面內(nèi)，太陽風質子的平均質量為1.6731.673 1010-27-27kgkg、法向速度、法向速度( (vcosvcos ) )為為5 5 10105 5m/sm/s、數(shù)密度、數(shù)密度為為5 5 10106 6m m-3-3, ,自由空間導磁率自由空間導磁率 o o=1.257=1.257 1010-6-6HmHm-1

5、-1, ,若地磁場若地磁場取偶極子場近似，地球表面赤道上的磁通量密度取偶極子場近似，地球表面赤道上的磁通量密度B B0 0 =3.11=3.11 1010-5-5T,T,在偶極坐標系中，磁層頂靠近地球一側的在偶極坐標系中，磁層頂靠近地球一側的磁通量密度為原來偶極子場的磁通量密度為原來偶極子場的2 2倍，即倍，即2 2* *B B0 0 /R/R3 3,R,R單位為單位為地球半徑地球半徑R RE E，可以估計出磁層頂?shù)牡匦木嚯x，可以估計出磁層頂?shù)牡匦木嚯xR R。這樣計算。這樣計算得到磁層頂?shù)牡匦木嚯x約為得到磁層頂?shù)牡匦木嚯x約為R=(2R=(2* *B B0 02 2/ / o om mp pn

6、np pv vswsw2 2) )1/6 1/6 R RE E = = 10R10RE E。磁層頂位置的計算實例磁層頂位置的計算實例典型磁層頂向陽面的位置是典型磁層頂向陽面的位置是10R10RE E磁層頂?shù)奈恢檬苣舷蛐行请H磁場磁層頂?shù)奈恢檬苣舷蛐行请H磁場IMF BzIMF Bz、動、動力學壓強力學壓強 Pd Pd 等的影響，南向行星際磁場愈等的影響，南向行星際磁場愈強，壓強愈大，磁層頂離地球愈近強，壓強愈大，磁層頂離地球愈近 磁層頂位置特點磁層頂位置特點 磁層頂?shù)奈恢秒S太陽風行星際磁場和太陽風動態(tài)壓強的變化 極尖極隙區(qū)極尖極隙區(qū)晝夜子午截面的磁層結構圖晝夜子午截面的磁層結構圖 磁磁尾尾磁尾瓣磁

7、尾瓣 u在背離太陽的方向上，磁層延伸為長長的尾巴，通常稱為在背離太陽的方向上，磁層延伸為長長的尾巴，通常稱為磁磁尾尾。u衛(wèi)星上的磁力儀發(fā)現(xiàn)，在地球的夜間一側，存在一個中性平衛(wèi)星上的磁力儀發(fā)現(xiàn)，在地球的夜間一側，存在一個中性平面，磁場方向在此翻轉，這個面稱作面，磁場方向在此翻轉，這個面稱作中性片中性片。在磁尾中性片。在磁尾中性片北部的北部的磁磁尾瓣尾瓣磁力線指向地球，磁力線指向地球，磁尾南瓣磁尾南瓣磁場指向背離地球的磁場指向背離地球的方向。這個尾巴粗略是個圓的截面，尺度大約方向。這個尾巴粗略是個圓的截面，尺度大約30RE30RE。u在在磁尾瓣磁尾瓣處，磁通量密度大約為處，磁通量密度大約為2020

8、 ，但在磁場反向的中性，但在磁場反向的中性片上，磁場要弱得多。在此區(qū)域，片上，磁場要弱得多。在此區(qū)域，磁磁尾瓣尾瓣的磁壓，大致被等離的磁壓，大致被等離子體片動壓所平衡。事實上，象整個磁層一樣，磁尾是動力子體片動壓所平衡。事實上，象整個磁層一樣，磁尾是動力學的，而且是構成磁層環(huán)流的基本部分。學的，而且是構成磁層環(huán)流的基本部分。u磁尾瓣磁尾瓣映射到電離層，相當于南北半球兩高緯地區(qū)稱為極蓋映射到電離層，相當于南北半球兩高緯地區(qū)稱為極蓋區(qū)區(qū)磁尾和磁尾瓣磁尾和磁尾瓣磁層結構等離子體片和等離子體層等離子體層等離子體層等離子體片等離子體片等離子體片等離子體片等離子片占據(jù)以磁尾中間平面為中心，厚度約為等離子片

9、占據(jù)以磁尾中間平面為中心，厚度約為10R10RE E 的區(qū)的區(qū)域，其域，其內(nèi)邊界內(nèi)邊界的地心距離大約為的地心距離大約為5-10R5-10RE E在等離子片中的等離子體是在等離子片中的等離子體是熱而稀薄熱而稀薄的等離子體，其密度約的等離子體，其密度約為為0.10.1-1-1 cm cm-3-3 的量級，能量為的量級，能量為1-40keV1-40keV等離子片中主要粒子成分是等離子片中主要粒子成分是H H+ +，被認為是起源太陽風和電離，被認為是起源太陽風和電離層，其次是層，其次是O O+ +，被認為是起源于電離層的，總的來說，平靜，被認為是起源于電離層的，總的來說，平靜期，等離子片中離子主要來自

10、太陽，而在擾動期，則主要來期，等離子片中離子主要來自太陽，而在擾動期，則主要來自于電離層自于電離層等離子片等離子片映射映射到電離層的極光橢圓帶，等離子片包含越尾電到電離層的極光橢圓帶，等離子片包含越尾電流片，大部分位于閉磁力線內(nèi)，等離子片邊界層是幾乎真空流片，大部分位于閉磁力線內(nèi)，等離子片邊界層是幾乎真空的磁尾瓣和熱的等離子片的過渡區(qū)域。的磁尾瓣和熱的等離子片的過渡區(qū)域。等離子體層等離子體層等離子體層的形狀大致是具有等離子體層的形狀大致是具有最大地心距離最大地心距離約為約為5RE5RE的一的一條偶極子磁力線旋轉一周所形成的旋轉體條偶極子磁力線旋轉一周所形成的旋轉體其離子主要成分為其離子主要成分

11、為H H+ +，其次是，其次是HeHe+ +，然后是，然后是O O+ +等離子體層的等離子體層的外邊界外邊界叫等離子體層頂，在等離子體層頂叫等離子體層頂，在等離子體層頂附近，電子密度隨地心距離增加而很陡的下降附近，電子密度隨地心距離增加而很陡的下降等離子體層頂以內(nèi)質子密度為等離子體層頂以內(nèi)質子密度為10102 2/cm3/cm3，溫度為，溫度為0.3eV0.3eV，在，在等離子體層頂以外，每立方厘米只有幾個質子，溫度大等離子體層頂以外，每立方厘米只有幾個質子，溫度大于于1eV1eV等離子體層頂?shù)牡入x子體層頂?shù)奈恢梦恢檬艿卮呕顒拥挠绊?，擾動期等離子受地磁活動的影響，擾動期等離子層頂收縮。層頂收縮

12、。等離子體層頂沿磁力線投影到電離層高度的位置等離子體層頂沿磁力線投影到電離層高度的位置vs電離層槽的位置電離層槽的位置兩者大致重合兩者大致重合黃昏隆起黃昏隆起等離子體層頂?shù)牡匦木嚯x等離子體層頂?shù)牡匦木嚯x vs Kp指數(shù)指數(shù)等離子體層頂?shù)牡匦木嗟入x子體層頂?shù)牡匦木嚯x隨地磁活動變化離隨地磁活動變化當當Kp4，等離子體層，等離子體層頂頂4 REKp1Kp=4-5典型的磁層等離子體和磁場特征典型的磁層等離子體和磁場特征磁層磁場磁層磁場 3-6 R3-6 RE E范圍內(nèi)地磁場近似于偶極子磁場范圍內(nèi)地磁場近似于偶極子磁場 6 R6 RE E以外地磁場明顯偏離偶極子磁場，磁場源于磁層電以外地磁場明顯偏離偶極

13、子磁場，磁場源于磁層電流系：磁層頂電流、中性片電流、場向電流、環(huán)電流流系：磁層頂電流、中性片電流、場向電流、環(huán)電流磁層頂電流磁層頂電流 在赤道向陽側，電流方向是由黎明指向黃昏，該電流產(chǎn)生的在赤道向陽側，電流方向是由黎明指向黃昏，該電流產(chǎn)生的磁場在磁層外抵消了地球偶極子場，在磁層內(nèi)加強了偶極子磁場在磁層外抵消了地球偶極子場，在磁層內(nèi)加強了偶極子場場 在磁尾，磁層頂電流的方向由黃昏指向黎明在磁尾，磁層頂電流的方向由黃昏指向黎明中性片電流中性片電流 中性片電流方向是由黎明指向黃昏，與磁尾磁層頂電流中性片電流方向是由黎明指向黃昏，與磁尾磁層頂電流形成兩個閉合的電流圈形成兩個閉合的電流圈 在中性片的北面

14、形成指向地球的磁場在中性片的北面形成指向地球的磁場 在中性片的南面形成由地球向外的磁場在中性片的南面形成由地球向外的磁場Tsyganenko磁層磁場模式磁層磁場模式由于磁層磁場變化復雜，用模式描述瞬時磁場很困難由于磁層磁場變化復雜，用模式描述瞬時磁場很困難，目前尚無瞬時外磁場的模式，只存在若干一定擾動條，目前尚無瞬時外磁場的模式，只存在若干一定擾動條件下的件下的平均外源場模式平均外源場模式Tsyganenko磁層磁場模式包括地磁場和磁層電流系產(chǎn)磁層磁場模式包括地磁場和磁層電流系產(chǎn)生的磁場，該模式在許多磁層物理問題的研究中已被廣生的磁場，該模式在許多磁層物理問題的研究中已被廣泛采用，根據(jù)多顆衛(wèi)星

15、在不同磁擾水平條件下取得的多泛采用，根據(jù)多顆衛(wèi)星在不同磁擾水平條件下取得的多個磁場矢量觀測數(shù)據(jù)進行分析擬合得到的經(jīng)驗模式，適個磁場矢量觀測數(shù)據(jù)進行分析擬合得到的經(jīng)驗模式，適用于用于4-70RE空間范圍?？梢越o出不同磁擾水平下磁層磁空間范圍。可以給出不同磁擾水平下磁層磁場的平均分布。場的平均分布。T86,T89是最簡單的兩個版本，采用固定的橢圓曲面表是最簡單的兩個版本，采用固定的橢圓曲面表示磁層頂，用地磁擾動指數(shù)示磁層頂，用地磁擾動指數(shù)Kp描述不同的磁擾條件描述不同的磁擾條件T96采用采用Sibeck,1991磁層頂模式，磁層頂大小隨太陽磁層頂模式，磁層頂大小隨太陽風壓強而變，此外控制磁層磁場大

16、小的還有赤道環(huán)電風壓強而變，此外控制磁層磁場大小的還有赤道環(huán)電流參數(shù)和行星際磁場流參數(shù)和行星際磁場Bx和和ByT01采用采用Shue,1998磁層頂模式，磁層頂?shù)拇笮‰S太陽磁層頂模式，磁層頂?shù)拇笮‰S太陽風壓強、行星際磁場風壓強、行星際磁場Bz和地球偶極子傾斜角而變，此和地球偶極子傾斜角而變，此外控制次層次場大小的還有兩個因子，分別在所考慮外控制次層次場大小的還有兩個因子，分別在所考慮時間之前一個小時內(nèi)取平均值，該模型還考慮了由部時間之前一個小時內(nèi)取平均值，該模型還考慮了由部分環(huán)電流所引起的磁層磁場晨昏不對稱性分環(huán)電流所引起的磁層磁場晨昏不對稱性T04進一步給出磁暴期間的磁層磁場動態(tài)模型，引入進一步給出磁暴期間的磁層磁場動態(tài)模型，引入6個參數(shù)來表征磁暴時間個參數(shù)來表征磁暴時間 磁層等離子體對