磁层和太阳风2014b

1、磁层结构与性质磁层结构与性质 太阳风与磁层的相互作用等效于磁流体与太阳风与磁层的相互作用等效于磁流体与地磁场的相互作用地磁场的相互作用太阳风在地球的向日面太阳风在地球的向日面压缩压缩地球偶极子地磁场地球偶极子地磁场在夜晚一侧把地磁场在夜晚一侧把地磁场拉伸拉伸成一个长长的尾状结成一个长长的尾状结构，延伸到构，延伸到-1000Re处处磁层结构示意图磁层结构示意图磁层边界层磁层边界层离子特性离子特性整个磁层顶表面整个磁层顶表面，包括磁层顶、极尖，包括磁层顶、极尖、等离子体幔、低纬边界层区域、等离子体幔、低纬边界层区域离子沿背日方向运动离子沿背日方向运动密度和温度介于磁鞘等离子体和磁层密度和温度介于磁

2、鞘等离子体和磁层等离子体之间等离子体之间 u磁层顶是地磁场和迎面而来的太阳风之间的磁层顶是地磁场和迎面而来的太阳风之间的边界，由太阳风向磁层内等离子体输运的动量边界，由太阳风向磁层内等离子体输运的动量和能量必须经过磁层顶。和能量必须经过磁层顶。u当太阳风当太阳风- -磁层系统处于平衡态时，外部磁层系统处于平衡态时，外部太太阳风的动压阳风的动压，在界面上的每一点都等于，在界面上的每一点都等于磁层内磁层内部地磁场的磁压部地磁场的磁压。由此，可以得出磁层边界面。由此，可以得出磁层边界面位置的地心距离，所得到的边界即是磁层顶。位置的地心距离，所得到的边界即是磁层顶。磁层顶位置的确定（磁层顶位置的确定（

3、1）磁层顶位置的确定（磁层顶位置的确定（2） 由由太阳风动压太阳风动压与与地磁场的磁压地磁场的磁压的平衡条件的平衡条件共同决定：共同决定：因为太阳风的粒子动能密度远大于磁能密因为太阳风的粒子动能密度远大于磁能密度，不考虑太阳风的磁压密度度，不考虑太阳风的磁压密度因为磁层的粒子动能密度远小于磁能密度因为磁层的粒子动能密度远小于磁能密度，不考虑磁层的粒子动能密度，不考虑磁层的粒子动能密度 如果太阳风中离子数密度是Np(m-3)，离子的质量是mp(kg)，以速度vsw(m/s)行进，在日地连线上与地磁场相遇，速度与磁壳的法线方向夹角为。假定发生地磁场镜反射，每一个反射粒子给磁层顶的动量为2mpvsw

4、cos ，单位时间入射的粒子数为npvswcos ，于是太阳风在入射时对磁层顶单位面积上的压力为2mpnpv2swcos2 ，它应该与磁压平衡，即：磁层顶位置的确定（磁层顶位置的确定（3）20nVSW磁层顶磁层顶 假定在地球轨道处赤道面内，太阳风质子的平均质量为假定在地球轨道处赤道面内，太阳风质子的平均质量为1.6731.673 1010-27-27kgkg、法向速度、法向速度( (vcosvcos ) )为为5 5 10105 5m/sm/s、数密度、数密度为为5 5 10106 6m m-3-3, ,自由空间导磁率自由空间导磁率 o o=1.257=1.257 1010-6-6HmHm-1

5、-1, ,若地磁场若地磁场取偶极子场近似，地球表面赤道上的磁通量密度取偶极子场近似，地球表面赤道上的磁通量密度B B0 0 =3.11=3.11 1010-5-5T,T,在偶极坐标系中，磁层顶靠近地球一侧的在偶极坐标系中，磁层顶靠近地球一侧的磁通量密度为原来偶极子场的磁通量密度为原来偶极子场的2 2倍，即倍，即2 2* *B B0 0 /R/R3 3,R,R单位为单位为地球半径地球半径R RE E，可以估计出磁层顶的地心距离，可以估计出磁层顶的地心距离R R。这样计算。这样计算得到磁层顶的地心距离约为得到磁层顶的地心距离约为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。磁层顶位置的计算实例磁层顶位置的计算实例典型磁层顶向阳面的位置是典型磁层顶向阳面的位置是10R10RE E磁层顶的位置受南向行星际磁场磁层顶的位置受南向行星际磁场IMF BzIMF Bz、动、动力学压强力学压强 Pd Pd 等的影响，南向行星际磁场愈等的影响，南向行星际磁场愈强，压强愈大，磁层顶离地球愈近强，压强愈大，磁层顶离地球愈近 磁层顶位置特点磁层顶位置特点 磁层顶的位置随太阳风行星际磁场和太阳风动态压强的变化 极尖极隙区极尖极隙区昼夜子午截面的磁层结构图昼夜子午截面的磁层结构图 磁磁尾尾磁尾瓣磁

7、尾瓣 u在背离太阳的方向上，磁层延伸为长长的尾巴，通常称为在背离太阳的方向上，磁层延伸为长长的尾巴，通常称为磁磁尾尾。u卫星上的磁力仪发现，在地球的夜间一侧，存在一个中性平卫星上的磁力仪发现，在地球的夜间一侧，存在一个中性平面，磁场方向在此翻转，这个面称作面，磁场方向在此翻转，这个面称作中性片中性片。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线指向地球，磁力线指向地球，磁尾南瓣磁尾南瓣磁场指向背离地球的磁场指向背离地球的方向。这个尾巴粗略是个圆的截面，尺度大约方向。这个尾巴粗略是个圆的截面，尺度大约30RE30RE。u在在磁尾瓣磁尾瓣处，磁通量密度大约为处，磁通量密度大约为2020

8、 ，但在磁场反向的中性，但在磁场反向的中性片上，磁场要弱得多。在此区域，片上，磁场要弱得多。在此区域，磁磁尾瓣尾瓣的磁压，大致被等离的磁压，大致被等离子体片动压所平衡。事实上，象整个磁层一样，磁尾是动力子体片动压所平衡。事实上，象整个磁层一样，磁尾是动力学的，而且是构成磁层环流的基本部分。学的，而且是构成磁层环流的基本部分。u磁尾瓣磁尾瓣映射到电离层，相当于南北半球两高纬地区称为极盖映射到电离层，相当于南北半球两高纬地区称为极盖区区磁尾和磁尾瓣磁尾和磁尾瓣磁层结构等离子体片和等离子体层等离子体层等离子体层等离子体片等离子体片等离子体片等离子体片等离子片占据以磁尾中间平面为中心，厚度约为等离子片

9、占据以磁尾中间平面为中心，厚度约为10R10RE E 的区的区域，其域，其内边界内边界的地心距离大约为的地心距离大约为5-10R5-10RE E在等离子片中的等离子体是在等离子片中的等离子体是热而稀薄热而稀薄的等离子体，其密度约的等离子体，其密度约为为0.10.1-1-1 cm cm-3-3 的量级，能量为的量级，能量为1-40keV1-40keV等离子片中主要粒子成分是等离子片中主要粒子成分是H H+ +，被认为是起源太阳风和电离，被认为是起源太阳风和电离层，其次是层，其次是O O+ +，被认为是起源于电离层的，总的来说，平静，被认为是起源于电离层的，总的来说，平静期，等离子片中离子主要来自

10、太阳，而在扰动期，则主要来期，等离子片中离子主要来自太阳，而在扰动期，则主要来自于电离层自于电离层等离子片等离子片映射映射到电离层的极光椭圆带，等离子片包含越尾电到电离层的极光椭圆带，等离子片包含越尾电流片，大部分位于闭磁力线内，等离子片边界层是几乎真空流片，大部分位于闭磁力线内，等离子片边界层是几乎真空的磁尾瓣和热的等离子片的过渡区域。的磁尾瓣和热的等离子片的过渡区域。等离子体层等离子体层等离子体层的形状大致是具有等离子体层的形状大致是具有最大地心距离最大地心距离约为约为5RE5RE的一的一条偶极子磁力线旋转一周所形成的旋转体条偶极子磁力线旋转一周所形成的旋转体其离子主要成分为其离子主要成分

11、为H H+ +，其次是，其次是HeHe+ +，然后是，然后是O O+ +等离子体层的等离子体层的外边界外边界叫等离子体层顶，在等离子体层顶叫等离子体层顶，在等离子体层顶附近，电子密度随地心距离增加而很陡的下降附近，电子密度随地心距离增加而很陡的下降等离子体层顶以内质子密度为等离子体层顶以内质子密度为10102 2/cm3/cm3，温度为，温度为0.3eV0.3eV，在，在等离子体层顶以外，每立方厘米只有几个质子，温度大等离子体层顶以外，每立方厘米只有几个质子，温度大于于1eV1eV等离子体层顶的等离子体层顶的位置位置受地磁活动的影响，扰动期等离子受地磁活动的影响，扰动期等离子层顶收缩。层顶收缩

12、。等离子体层顶沿磁力线投影到电离层高度的位置等离子体层顶沿磁力线投影到电离层高度的位置vs电离层槽的位置电离层槽的位置两者大致重合两者大致重合黄昏隆起黄昏隆起等离子体层顶的地心距离等离子体层顶的地心距离 vs Kp指数指数等离子体层顶的地心距等离子体层顶的地心距离随地磁活动变化离随地磁活动变化当当Kp4，等离子体层，等离子体层顶顶4 REKp1Kp=4-5典型的磁层等离子体和磁场特征典型的磁层等离子体和磁场特征磁层磁场磁层磁场 3-6 R3-6 RE E范围内地磁场近似于偶极子磁场范围内地磁场近似于偶极子磁场 6 R6 RE E以外地磁场明显偏离偶极子磁场，磁场源于磁层电以外地磁场明显偏离偶极

13、子磁场，磁场源于磁层电流系：磁层顶电流、中性片电流、场向电流、环电流流系：磁层顶电流、中性片电流、场向电流、环电流磁层顶电流磁层顶电流 在赤道向阳侧，电流方向是由黎明指向黄昏，该电流产生的在赤道向阳侧，电流方向是由黎明指向黄昏，该电流产生的磁场在磁层外抵消了地球偶极子场，在磁层内加强了偶极子磁场在磁层外抵消了地球偶极子场，在磁层内加强了偶极子场场 在磁尾，磁层顶电流的方向由黄昏指向黎明在磁尾，磁层顶电流的方向由黄昏指向黎明中性片电流中性片电流 中性片电流方向是由黎明指向黄昏，与磁尾磁层顶电流中性片电流方向是由黎明指向黄昏，与磁尾磁层顶电流形成两个闭合的电流圈形成两个闭合的电流圈 在中性片的北面

14、形成指向地球的磁场在中性片的北面形成指向地球的磁场 在中性片的南面形成由地球向外的磁场在中性片的南面形成由地球向外的磁场Tsyganenko磁层磁场模式磁层磁场模式由于磁层磁场变化复杂，用模式描述瞬时磁场很困难由于磁层磁场变化复杂，用模式描述瞬时磁场很困难，目前尚无瞬时外磁场的模式，只存在若干一定扰动条，目前尚无瞬时外磁场的模式，只存在若干一定扰动条件下的件下的平均外源场模式平均外源场模式Tsyganenko磁层磁场模式包括地磁场和磁层电流系产磁层磁场模式包括地磁场和磁层电流系产生的磁场，该模式在许多磁层物理问题的研究中已被广生的磁场，该模式在许多磁层物理问题的研究中已被广泛采用，根据多颗卫星

15、在不同磁扰水平条件下取得的多泛采用，根据多颗卫星在不同磁扰水平条件下取得的多个磁场矢量观测数据进行分析拟合得到的经验模式，适个磁场矢量观测数据进行分析拟合得到的经验模式，适用于用于4-70RE空间范围。可以给出不同磁扰水平下磁层磁空间范围。可以给出不同磁扰水平下磁层磁场的平均分布。场的平均分布。T86,T89是最简单的两个版本，采用固定的椭圆曲面表是最简单的两个版本，采用固定的椭圆曲面表示磁层顶，用地磁扰动指数示磁层顶，用地磁扰动指数Kp描述不同的磁扰条件描述不同的磁扰条件T96采用采用Sibeck,1991磁层顶模式，磁层顶大小随太阳磁层顶模式，磁层顶大小随太阳风压强而变，此外控制磁层磁场大

16、小的还有赤道环电风压强而变，此外控制磁层磁场大小的还有赤道环电流参数和行星际磁场流参数和行星际磁场Bx和和ByT01采用采用Shue,1998磁层顶模式，磁层顶的大小随太阳磁层顶模式，磁层顶的大小随太阳风压强、行星际磁场风压强、行星际磁场Bz和地球偶极子倾斜角而变，此和地球偶极子倾斜角而变，此外控制次层次场大小的还有两个因子，分别在所考虑外控制次层次场大小的还有两个因子，分别在所考虑时间之前一个小时内取平均值，该模型还考虑了由部时间之前一个小时内取平均值，该模型还考虑了由部分环电流所引起的磁层磁场晨昏不对称性分环电流所引起的磁层磁场晨昏不对称性T04进一步给出磁暴期间的磁层磁场动态模型，引入进一步给出磁暴期间的磁层磁场动态模型，引入6个参数来表征磁暴时间个参数来表征磁暴时间 磁层等离子体对