空間磁層與磁層亞暴研究綜述

孫福玉

摘 要

磁層是天體周?chē)豢臻g等離子體包圍并受天體磁場(chǎng)控制的區(qū)域。磁層亞暴是磁層的高緯地區(qū)夜半側(cè)和磁尾的強(qiáng)烈擾動(dòng)。本文從近年來(lái)磁層物理學(xué)的主要進(jìn)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(tǒng)的探討了空間磁層的研究手段和磁層亞暴的幾種產(chǎn)生機(jī)制?？偨Y(jié)出最佳科研手段和理論，并對(duì)我國(guó)磁層物理學(xué)的發(fā)展提出若干建議。

關(guān)鍵詞

日地系統(tǒng)擾動(dòng);行星際擾動(dòng)結(jié)構(gòu);太陽(yáng)風(fēng)漲落;MHD數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)： P353文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.092

0 前言

空間物理學(xué)主要研究太陽(yáng)系中的物理現(xiàn)象與規(guī)律，研究空間環(huán)境以及它對(duì)人類(lèi)空間活動(dòng)和地球生態(tài)環(huán)境的影響。隨著全球科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們利用火箭、衛(wèi)星等升空工具探測(cè)高空磁場(chǎng)、高能粒子、等離子體等，這是磁層物理學(xué)形成和發(fā)展的基礎(chǔ)。

磁層是天體周?chē)豢臻g等離子體包圍并受天體磁場(chǎng)控制的區(qū)域。也就是說(shuō)如果行星在內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)顯著的磁場(chǎng)，那么它就有磁層。所以對(duì)于磁層的研究一般可分為兩個(gè)方向，地球磁層和行星磁層。

地球具有很強(qiáng)的磁場(chǎng)。當(dāng)太陽(yáng)產(chǎn)生的太陽(yáng)風(fēng)到地球附近的磁場(chǎng)空間時(shí)，與地球南北極產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用，由于強(qiáng)作用把地球磁場(chǎng)包圍在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，這個(gè)區(qū)域就叫作空間磁層。因此地球磁層可定義為地球被太陽(yáng)風(fēng)包圍并受地球磁場(chǎng)控制的區(qū)域。一個(gè)行星，若它內(nèi)部沒(méi)有產(chǎn)生較大磁場(chǎng)，通過(guò)電流與太陽(yáng)風(fēng)等離子體相互作用，則會(huì)產(chǎn)生它的導(dǎo)電電離層。

磁層亞暴是磁層的高緯地區(qū)夜半側(cè)和磁尾的強(qiáng)烈擾動(dòng)。擾動(dòng)區(qū)城包括整個(gè)磁尾、等離子體片及極光帶附近的電離層，持續(xù)時(shí)間約1～2h。在外形復(fù)雜、材料性質(zhì)不同的航天器表面上會(huì)出現(xiàn)不等量的電位。由于磁層亞暴效應(yīng)電位差高達(dá)一定數(shù)值，產(chǎn)生表面放電，造成電介質(zhì)擊穿元器件燒毀，光學(xué)敏感面被污染，也可以以電磁脈沖的形式給航天器內(nèi)外的電子元器件造成各種有害的干擾。

1 日地系統(tǒng)擾動(dòng)多層次綜合研究

在1997年章公亮等對(duì)日地系統(tǒng)擾動(dòng)的多層次綜合做了大量的研究。 分析了磁暴形態(tài)類(lèi)型對(duì)行星際擾動(dòng)的結(jié)構(gòu)，包括激波、高密度結(jié)構(gòu)、強(qiáng)磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)、高速流等的響應(yīng)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(shuō)明了磁暴形態(tài)類(lèi)型對(duì)日地?cái)_動(dòng)組合結(jié)構(gòu)響應(yīng)的基本規(guī)律。驗(yàn)證了磁膨脹與熱膨脹不同，磁膨脹是一種磁流體力學(xué)慢過(guò)程是由于新的磁通量出現(xiàn)所引起。根據(jù)其研究理論，太陽(yáng)風(fēng)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(shù)的行星際觀測(cè)是符合此理論預(yù)測(cè)的。而也有研究表明在行星際空間觀測(cè)到低速太陽(yáng)風(fēng)中的亞阿爾文波速流的兩個(gè)例子，用經(jīng)典太陽(yáng)風(fēng)理論是行不通的。章公亮發(fā)現(xiàn)了1979年6月6日行星際強(qiáng)激波事件也出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)。章公亮等對(duì)磁暴發(fā)生機(jī)制及其對(duì)行星際條件響應(yīng)過(guò)程的研究起了推動(dòng)作用。

2 磁層亞暴的機(jī)制

隆輝、許乃懷、胡文瑞對(duì)太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)量的漲落對(duì)亞暴的影響做了大量的研究。通過(guò)無(wú)碰撞等離子體動(dòng)力學(xué)理論，推導(dǎo)證實(shí)了太陽(yáng)風(fēng)漲落所激發(fā)的快磁聲波接近無(wú)消耗地傳過(guò)磁尾，幾乎全部消耗在等離子體片中。從而提出了太陽(yáng)風(fēng)漲落加熱等離子體片從而產(chǎn)生磁層亞暴的機(jī)制。

我們知道亞暴增長(zhǎng)和膨脹期間的一個(gè)重要特征是等離子體片變薄，因此我國(guó)學(xué)者著重研究磁層亞暴期間等離子體片邊界層的K-H不穩(wěn)定性。劉振興、丁大慶在給定流場(chǎng)和一定的假定條件下，分別對(duì)理想的和黏性的MHD方程進(jìn)行求解，首次討論了流場(chǎng)對(duì)等離子體片結(jié)構(gòu)的影響。提出了亞暴處于增長(zhǎng)相時(shí)，等離子體片變薄較顯著;處在膨脹相時(shí)，一部分等離子體片仍繼續(xù)變薄。

劉振興、丁大慶用二維MHD方法應(yīng)用于磁層亞暴過(guò)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(xiàn)象。對(duì)磁層亞暴機(jī)制的研究方式和途徑提供一種新思路對(duì)空間物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

3 近磁尾位形不穩(wěn)定性（NEMTCI） 理論

從衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，磁層亞暴可能發(fā)生在近地（6-10個(gè)地球半徑）磁尾。我國(guó)科學(xué)家分析同步高度衛(wèi)星（GEOS2）的資料后發(fā)現(xiàn)，磁層亞暴增長(zhǎng)相后期階段，近磁尾出現(xiàn)指向地球的粒子能量梯度是非常強(qiáng)的， 磁尾出現(xiàn)磁力線。增長(zhǎng)相后期一旦極區(qū)電離層電導(dǎo)率突增，則該不穩(wěn)定性便可在近磁尾內(nèi)邊界附近發(fā)生，從而對(duì)亞暴膨脹相的觸發(fā)起關(guān)鍵性作用，這就是近磁尾位形不穩(wěn)定性（NEMTCI）理論。當(dāng)存在地向等離子體流時(shí)NEMTCL更容易發(fā)展，因此中磁尾重聯(lián)可通過(guò)NEMTCL觸發(fā)強(qiáng)磁層亞暴，這也是亞暴產(chǎn)生的機(jī)制之一。將中性線模型和電流中斷模型相結(jié)合，提出一個(gè)亞暴膨脹相的全球模型。從而可得出從全球過(guò)程研究亞暴機(jī)制是一個(gè)正確的選擇的結(jié)論。

4 全球MHD數(shù)值模擬

太陽(yáng)風(fēng)一磁層一電離層系統(tǒng)的演化和系統(tǒng)內(nèi)部的耦合過(guò)程，是磁層物理學(xué)研究課題之一。我們知道太陽(yáng)風(fēng)一磁層一電離層系統(tǒng)是一個(gè)存在內(nèi)部耦合的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的電離層、磁層、太陽(yáng)風(fēng)相互作用，因此產(chǎn)生的磁層亞暴不是局地的現(xiàn)象，而是一個(gè)系統(tǒng)的整體行為。對(duì)系統(tǒng)局部區(qū)域進(jìn)行亞暴的研究，基于對(duì)系統(tǒng)整體行為的確切理解。然而現(xiàn)階段觀測(cè)手段還只能是實(shí)現(xiàn)局部的觀測(cè)，無(wú)法對(duì)系統(tǒng)的整體行為做有效的監(jiān)測(cè)，這是研究的一個(gè)重要短板。

科學(xué)的發(fā)展已經(jīng)從定性研究轉(zhuǎn)化為定量研究，然而全球MND數(shù)值模擬是研究復(fù)雜系統(tǒng)中非線性相互作用的有效工具。因此對(duì)SMI系統(tǒng)的數(shù)值模擬將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。對(duì)SMI系統(tǒng)的數(shù)值模擬不僅能有效地解決現(xiàn)階段觀測(cè)手段還只能是實(shí)現(xiàn)局部的觀測(cè)的局限，還可以加深我們對(duì)SMI系統(tǒng)的基本物理過(guò)程的認(rèn)識(shí)。對(duì)研究亞暴機(jī)制和行星際條件響應(yīng)過(guò)程起到推動(dòng)作用。

5 總結(jié)

磁層亞暴是磁層能量釋放和轉(zhuǎn)換過(guò)程的表現(xiàn)形式之一，是引起磁層、電離層和高層大氣擾動(dòng)的主要因素，是造成電介質(zhì)擊穿元器件燒毀，光學(xué)敏感面被污染的重要因素，其能對(duì)航天器內(nèi)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(wèn)題。地球是人類(lèi)賴以生存的家園，地球磁層是當(dāng)前人類(lèi)空間活動(dòng)和空間開(kāi)發(fā)利用的主要空間區(qū)域，同時(shí)也是人類(lèi)的保護(hù)傘。地球磁層的探測(cè)和磁層亞暴的研究對(duì)空間活動(dòng)的安全保障和對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境的維護(hù)有重要應(yīng)用價(jià)值。

磁層亞暴機(jī)制是學(xué)術(shù)界活躍話題，其中太陽(yáng)風(fēng)漲落加熱等離子體片從而產(chǎn)生磁層亞暴的機(jī)制是一種新發(fā)現(xiàn)，為磁暴的研究指明新的方向。磁層亞暴是太陽(yáng)風(fēng)-磁層-電離層系統(tǒng)復(fù)雜的能量耦合過(guò)程，僅側(cè)重于局部電路系統(tǒng)的研究是行不通的。磁層-電離層等效電網(wǎng)絡(luò)模型是較為完善的電路模型，并在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)當(dāng)行星際磁場(chǎng)南向分量持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，可導(dǎo)致間歇地出現(xiàn)多次磁層亞暴，這對(duì)探討磁層亞暴產(chǎn)生機(jī)制和地球?qū)π行请H擾動(dòng)的響應(yīng)過(guò)程有啟發(fā)作用。

隨著科技的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)要想闡明磁暴形態(tài)類(lèi)型對(duì)行星際擾動(dòng)組合結(jié)構(gòu)響應(yīng)的基本規(guī)律，識(shí)別磁膨脹形成的行星際結(jié)構(gòu)，對(duì)亞阿爾文波速流的出現(xiàn)做出合理解釋?zhuān)瑢?duì)日地系統(tǒng)擾動(dòng)進(jìn)行多層次綜合研究是必不可少的。太陽(yáng)風(fēng)一磁層一電離層系統(tǒng)是一個(gè)存在復(fù)雜內(nèi)部耦合的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。提出一個(gè)亞暴膨脹相的全球模型和運(yùn)用全球MHD數(shù)值模擬，對(duì)亞暴進(jìn)行定量研究是大勢(shì)所趨。

形成先進(jìn)的國(guó)際空間探測(cè)技術(shù)，加強(qiáng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外合作積極參與國(guó)際空間探測(cè)與研究計(jì)劃。加強(qiáng)理論和數(shù)值模擬研究相結(jié)合，提高研究水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。磁層亞暴對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的影響，行星際擾動(dòng)的全響應(yīng)過(guò)程等應(yīng)作為重點(diǎn)研究課題。

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