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(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。本文從近年來磁層物理學(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，并對我國磁層物理學(xué)的發(fā)展提出若干建議。

關(guān)鍵詞

日地系統(tǒng)擾動;行星際擾動結(jié)構(gòu);太陽風(fēng)漲落;MHD數(shù)值模擬

中圖分類號： P353文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.092

0 前言

空間物理學(xué)主要研究太陽系中的物理現(xiàn)象與規(guī)律，研究空間環(huán)境以及它對人類空間活動和地球生態(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)星等升空工具探測高空磁場、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)。

磁層是天體周圍被空間等離子體包圍并受天體磁場控制的區(qū)域。也就是說如果行星在內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)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(gè)方向，地球磁層和行星磁層。

地球具有很強(qiáng)的磁場。當(dāng)太陽產(chǎn)生的太陽風(fēng)到地球附近的磁場空間時(shí)，與地球南北極產(chǎn)生的磁場作用，由于強(qiáng)作用把地球磁場包圍在一個(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風(fēng)包圍并受地球磁場控制的區(qū)域。一個(gè)行星，若它內(nèi)部沒有產(chǎn)生較大磁場，通過電流與太陽風(fēng)等離子體相互作用，則會產(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。擾動區(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)擾動多層次綜合研究

在1997年章公亮等對日地系統(tǒng)擾動的多層次綜合做了大量的研究。 分析了磁暴形態(tài)類型對行星際擾動的結(jié)構(gòu)，包括激波、高密度結(jié)構(gòu)、強(qiáng)磁場結(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，說明了磁暴形態(tài)類型對日地?cái)_動組合結(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)的行星際觀測是符合此理論預(yù)測的。而也有研究表明在行星際空間觀測到低速太陽風(fēng)中的亞阿爾文波速流的兩個(gè)例子，用經(jīng)典太陽風(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)。章公亮等對磁暴發(fā)生機(jī)制及其對行星際條件響應(yīng)過程的研究起了推動作用。

2 磁層亞暴的機(jī)制

隆輝、許乃懷、胡文瑞對太陽風(fēng)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(xué)理論，推導(dǎo)證實(shí)了太陽風(fēng)漲落所激發(fā)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(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、丁大慶在給定流場和一定的假定條件下，分別對理想的和黏性的MHD方程進(jìn)行求解，首次討論了流場對等離子體片結(jié)構(gòu)的影響。提出了亞暴處于增長相時(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。對磁層亞暴機(jī)制的研究方式和途徑提供一種新思路對空間物理學(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)部的耦合過程，是磁層物理學(xué)研究課題之一。我們知道太陽風(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)雜動力學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的電離層、磁層、太陽風(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。對系統(tǒng)局部區(qū)域進(jìn)行亞暴的研究，基于對系統(tǒng)整體行為的確切理解。然而現(xiàn)階段觀測手段還只能是實(shí)現(xiàn)局部的觀測，無法對系統(tǒng)的整體行為做有效的監(jiān)測，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SMI系統(tǒng)的數(shù)值模擬將發(fā)揮越來越重要的作用。對SMI系統(tǒng)的數(shù)值模擬不僅能有效地解決現(xiàn)階段觀測手段還只能是實(shí)現(xiàn)局部的觀測的局限，還可以加深我們對SMI系統(tǒng)的基本物理過程的認(rèn)識。對研究亞暴機(jī)制和行星際條件響應(yīng)過程起到推動作用。

5 總結(jié)

磁層亞暴是磁層能量釋放和轉(zhuǎn)換過程的表現(xiàn)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(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題。地球是人類賴以生存的家園，地球磁層是當(dāng)前人類空間活動和空間開發(fā)利用的主要空間區(qū)域，同時(shí)也是人類的保護(hù)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(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。磁層亞暴是太陽風(fēng)-磁層-電離層系統(tǒng)復(fù)雜的能量耦合過程，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)行星際磁場南向分量持續(xù)時(shí)間較長，可導(dǎo)致間歇地出現(xiàn)多次磁層亞暴，這對探討磁層亞暴產(chǎn)生機(jī)制和地球?qū)π行请H擾動的響應(yīng)過程有啟發(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)類型對行星際擾動組合結(jié)構(gòu)響應(yīng)的基本規(guī)律，識別磁膨脹形成的行星際結(jié)構(gòu)，對亞阿爾文波速流的出現(xiàn)做出合理解釋，對日地系統(tǒng)擾動進(jìn)行多層次綜合研究是必不可少的。太陽風(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，對亞暴進(jìn)行定量研究是大勢所趨。

形成先進(jìn)的國際空間探測技術(shù)，加強(qiáng)觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。加強(qiáng)國內(nèi)外合作積極參與國際空間探測與研究計(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(yīng)過程等應(yīng)作為重點(diǎn)研究課題。

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