行星磁層 planetary magnetosphere
在行星周圍，被太陽風等離子體包圍，受星體磁場控製的空間區域。行星磁層的形成和結構形態，主要决定於太陽風和行星磁場的分佈。
行星磁層基本上可分為3種類型。
①固有磁場的慢旋轉磁層 有些行星本身具有較強的磁場，這一磁場的磁壓，足以在離行星相當遠的距離處與太陽風的動壓相平衡，形成磁層頂。同時，這些行星的旋轉速度很慢，旋轉對於磁層結構的影響可以忽略。地球磁層就屬於這種類型。
②固有磁場的快旋轉磁層 有的行星本身具有較強的磁場，而這些行星的旋轉速度較快，旋轉對於磁層結構有顯著的影響。木星磁層就是這種類型。
③感應磁層 有的行星本身沒有磁場或者磁場很弱，它的磁場主要是依靠行星周圍的等離子體與太陽風相互作用産生的。金星磁層可能屬於這種類型。 1960年以來，先後發射了各種行星探測器，對水星磁層、金星磁層、火星磁層、木星磁層和土星磁層進行了直接探測。關於天王星、海王星和冥王星的磁層，目前還缺少直接探測資料。
木星磁層 有明顯的磁層頂和弓激波。在嚮陽面磁層頂的平均位置大約是 60rj（木星半徑rj=71398公裏）。弓激波的平均位置大約為 80rj。木星磁層的結構如圖1。隨着太陽風條件的不同，磁層頂位置有較大的變化，比地球磁層頂位置的變化大得多。
木星磁場 在磁層內主要有兩個不同的磁場區域，即內磁層區、磁尾和電流片區。
①內磁層區 從木星表面到10rj的空間範圍，在此區域內，磁場的分佈可近似地用偶極場來表示，偶極矩mj≈1.5×1030高斯·釐米3，赤道面磁場為4.1高斯，比地球大10倍多一點，磁場的極性與地球相反，在磁赤道面上，磁場的方向是嚮南。偶極軸和旋轉軸之間的夾角約為11°,偶極子離開木星中心約0.11rj（緯度16°,經度 176°）。木星表面，在南北半球各有一個高磁場區，磁場強度分別為14.4高斯和10.8高斯。另外，還有一個低磁場區稱為磁異常區，其中心大約位於北半球，經度為230°左右。木星表面磁異常區的存在,對於木星磁層中許多現象（如十米波輻射、極光、場嚮電流和粒子分佈的徑嚮不對稱性等）有明顯的影響。
在木衛一通量管（連接木星和木衛一的電離層的磁力綫構成的磁力綫管）中，存在着較強的電流。總電流強度約為106安培。由於這一電流的影響,在此區內磁場有較大的擾動，擾動值約為±50納特。
②磁尾和電流片區 木星磁層有一個嚮外拉長的磁尾。徑嚮距離超過10rj以後，磁場分佈逐漸偏離偶極場，而且有較大的起伏，因為超過某一徑嚮距離後，在赤道區附近存在着一個薄的等離子體片，此等離子體片産生的電流，對外部磁層的磁場影響很大。此電流係統集中在磁赤道附近,厚度大約為2rj，稱為電流片。在電流片的中間，磁場最弱，約為1納特。在電流片的兩邊,磁場方向相反：在磁赤道以南，磁場方向指嚮木星，以北是離開木星。在離木星較近的區域，電流片與偶極赤道平行，但當超過某一距離（大約40rj）後，開始偏離偶極赤道，逐漸與旋轉赤道平行。
木星的粒子環境 木星磁層粒子主要來源於木星電離層及其衛星，這與地球磁層粒子來源不同。粒子成分主要有質子、氧、鈉和硫等離子。木星的粒子環境按粒子能量可分為：低能等離子體環境、熱等離子體環境和輻射帶粒子。
①低能等離子體環境 指粒子能量從 100電子伏到幾千電子伏的等離子體環境。木星磁層中存在着幾個顯著不同的等離子體區域，即等離子體層、槽區、環電流區和等離子體片區。
等離子體層約在 2.8～6rj的空間範圍。在此層內質子的數密度較高，約為50～100釐米-3。這些質子的特徵能量約為100電子伏。等離子體層有明顯的邊界,在等離子體層頂外，密度顯著降低。木衛一通量管正好是位於等離子體層的外邊界，對等離子體層有很大的調製作用。木衛一通量管是木星磁層中的一個重要區域，可以看作木星磁層中的粒子來源區和加速區。木衛一通量管中的電流，在木星電離層和木衛一之間形成一個閉合電離體係，由於電流不穩定性，可以激發等離子體湍流，結果使木衛一通量管中的粒子加速。木衛一表面不斷濺射出各種成分的離子（如鈉、硫等）,這些離子被加速後,通過對流和擴散的形式,傳輸到磁層的其他區域。另外,木衛一通量管也是木星産生無綫電輻射的區域，強的木星十米波輻射就發生在這一區域中。 槽區的空間範圍約為6～8rj，在此區域內質子的數密度顯然降低，約為1～10釐米-3。
環電流區約在8～15rj的空間範圍,木衛二通量管正好是在這一區域中，質子數密度是10～15釐米-3。
等離子體片區是木星外部磁層的主要組成部分，其範圍約從15rj一直伸延到幾百rj，厚度約為2rj。在20rj處質子的數密度約為1釐米-3，能量大約是 1千電子伏的量級。數密度隨徑嚮距離的增大而減小，數密度有 5小時和10小時的周期變化。大約在40rj以內，等離子體片與偶極赤道平行;但超過大約40rj的外部區域,等離子體片逐漸變得彎麯，與旋轉赤道相平行。大約在小於20rj以內的區域，等離子體是以同樣的速度隨木星旋轉；但在大於20rj左右以外的區域，等離子體的旋轉角速度隨着徑嚮距離的增大而減小。等離子體的離子成分主要是氫、氧和硫。這些離子主要來源於木星電離層和木衛一。
②熱等離子體環境 指電子能量大於20千電子伏，離子能量大於28千電子伏的等離子體環境。大約在30rj以外的區域，熱等離子體的密度是10-1～10-6釐米-3，能量密度大約10-15～10-20焦耳／釐米3，整個區域表現為高β（熱能與磁能之比）的等離子體。在嚮陽面一側，從30rj到磁層頂附近，等離子體是沿着木星的旋轉方向流動。在背陽面一側從30rj（地方時3時左右）直到140～160rj也是嚮着旋轉方向流動。在150rj以外的區域，等離子體變成“磁層風”離開木星嚮外流動，方向是太陽與木星聯綫偏西20°,速度大約是從300公裏／秒到大於1000公裏／秒，溫度約為3×108k。
離子成分中，氧和硫與氦的比率隨着徑嚮距離的增大單調地增大，同時碳與氦的比率保持不變，鈉與氧的比率大約為0.05。氫和氦的比率在磁層頂外是20左右，但在磁層內是300左右。
③輻射帶粒子 大於30兆電子伏的質子的最大通量約6×106釐米-2·秒-1，位於 l≈3.4處（l表示磁殼參量，以木星半徑作單位）。大於3兆電子伏的電子,最大通量約2.5×108釐米-2·秒-1，位於l≈6處。木星的十釐米波輻射，是這些高能電子同步輻射的結果，電子通過同步輻射散失能量並改變投擲角的分佈。通過投擲角的散射過程，輻射帶粒子不斷被靠近木星的衛星所吸收。
木星磁層是相對論電子的發射源。在離木星 1天文單位距離處觀測到能量範圍為 3～30兆電子伏的高能電子暴，其持續時間約2～3天，並且有10小時的周期，這種周期變化與木星外磁層觀測到的周期變化相一致，表明這些高能電子是從木星磁層傳播到行星際空間的。
木星的無綫電輻射和等離子體波 木星磁層發射波長範圍很寬的無綫電波，包括釐米波，十釐米波，十米波和千米波。一般認為無綫電波的輻射與木星磁層有關。
在5～200釐米的波長範圍內，波輻射譜是平的，通量密度大約是(6.7±1.0)×10-26瓦／（米2·赫）。絶大部分的十釐米波輻射是綫偏振的，有時還表現出小的圓偏振度。十米波輻射功率很大，是突發性的；在30米以上的波輻射較弱但可以是連續發射。行星探測器“旅行者”上進行的行星射電天文學觀測，發現了地面設備觀測不到的木星千米波輻射，這種輻射通常持續約 1小時，頻帶寬度有幾百千赫。
對木星磁層內外的等離子體波探測表明，在弓激波以外存在着低頻無綫電波、離子聲波。在木衛一等離子環中測量到了高頻的靜電波，強的哨聲型湍流和與閃電有關的哨聲。在外部磁層測量到了被捕獲的無綫電波還觀測到了上混雜波。
土星磁層 1979年9月1日，“先驅者”11號飛船接近土星，這是人類第一次對土星進行直接探測。“先驅者”11號對土星的大氣結構、電離層、磁層、重力場等進行較全面的探測，並發現了新的衛星和新的土星環。1980年11月“旅行者”2號又與土星相遇,又發現了新的衛星，並對土星環的結構進行了較細的觀測。土星環對土星的磁層結構有顯著的影響。
磁場分佈和磁層的外形 土星磁場的極性與木星相同，與地球相反,偶極矩為2.2×1029高斯·釐米3。偶極軸和土星旋轉軸之間的夾角很小，僅1°左右,這與地球和木星有很大的不同。在內部磁層，磁場的分佈接近偶極場。在外部磁層,磁場分佈與偶極場有係統的偏離,這是因為在嚮陽面磁層受到太陽風的壓縮，在磁尾受到電流片的擾動所引起的。
土星磁層的外形與木星和地球相似，有明顯的弓激波和磁層頂。在嚮陽面,弓激波離土星的位置約在20～24rs（土星半徑 rs=60000公裏）的範圍,磁層頂位置大約在17rs處。在黎明一邊,弓激波位置大約在49～102rs的範圍，磁層頂位置大約在30～39.81rs範圍。由於太陽風條件的變化,弓激波和磁層頂的位置是在相當大的範圍內變化着。
土星的粒子環境 根據粒子的特性可分為 4個區域，即外磁層區、槽區、內磁層區和環區。
①外磁層區 約從 7.5rs一直到磁層頂的區域。在此區域存在着含有o+或oh+的等離子體，這些低能離子來自土星環，而不是從太陽風穿入磁層的。在rs以內發現低能的捕獲帶電粒子,嚮內延伸到大約7.5rs。外磁層的主要特徵，是捕獲粒子的通量和投擲角隨時間變化很大。在8rs之外粒子分佈混亂，磁場的極性變化較快，這是磁尾電流發展的結果。
②槽區 約在7.5～4rs的空間範圍。槽區的特徵是粒子通量顯著減少，質子衹有外磁層的百分之幾，低能電子衹有外磁層的千分之一。減少的原因是衛星的吸收和驅趕效應，因在這一區域內有3顆衛星。
③內磁層區 約從4rs直至a環外邊界。在4rs以內粒子的通量和能量都增加很快，能譜復雜且變硬，內磁層區的粒子能量大於35兆電子伏的質子最大強度為3×104釐米-2·秒-1，能量大於3.4兆電子伏的電子最大通量是3×106釐米-2·秒-1。在此區內，粒子通量的明顯吸收特性與土衛一有關。利用這種吸收特性可以發現新的衛星，並且可以確定在此區內捕獲粒子的擴散係數和加速過程。
④環區 約在小於2.3rs的空間範圍內。環區的主要特性,是帶電粒子幾乎完全被環所吸收。在a、b和c環附近，連續地觀測到低通量的高能電子。 金星磁層 金星磁場 金星磁場是它本身固有的還是由於太陽風與電離層相互作用産生的，一直引起人們的興趣。開始，由行星探測器探測到的磁場估算，金星的磁偶極矩約為h22高斯·釐米3～6.5×1022高斯·釐米3之間。金星表面磁場約為18～29納特。但後來的磁場探測結果表明,金星磁偶極矩最大值約是(4.3±2.0)×1021高斯·釐米3,比以前的估計約低一個數量級。從這些探測結果來看，一般認為金星的固有磁場很弱，主要是太陽風與電離層相互作用引起的感應磁場。
金星磁層結構的特點 由於金星沒有固有磁場，或者衹有很弱的磁場，太陽風可以直接與電離層相互作用。因此，金星沒有象地球、木星和土星那樣的完整的磁層結構。
探測結果表明，金星有明顯的弓激波。弓激波在嚮陽面對日點的平均位置大約是 1.27rv（金星半徑rv約為6050公裏），在側面的平均位置大約是2.44rv。在嚮陽面，磁層頂和電離層頂幾乎重合在一起，在背陽面，兩者明顯地分開。金星磁層也有嚮背陽面拉長的磁尾。在離金星2～5rv的遠磁尾區，存在着與地球相似的等離子體片和中性片，但磁力綫的方向與地球相反：黃道面以北，磁力綫離開金星；黃道面以南，磁力綫指嚮金星。 在這裏，伴隨着等離子體能量的增加，觀測到磁場強度周期性地減小。這一現象表明，金星磁層中可能也發生磁層亞暴。
金星磁層結構的特點，是電離層為磁層的重要部分。靠近金星的探測結果表明,金星有成分豐富的電離層,在嚮陽面離子成分是o+、o娚、co娚、c+、h+、co+、no+、n+、he+、o劶、o++和h娚，在200公裏以下主要是o+，但在黎明以前的區域主要是h+。在背陽面，在相同的條件下基本上與嚮陽面相同。氧離子o+的最大密度約為105釐米-3。
電離層的外邊界稱為電離層頂。電離層頂的高度在嚮陽面對日點處的高度平均約 350公裏，在黃昏一邊約700公裏，在早晨一邊約1000公裏。
水星磁層 水星磁層和地球磁層十分相似。
根據測量的磁場得出的磁偶極矩為2.4×1022～5×1022高斯·釐米3,水星表面赤道磁場強度為220納特。在嚮陽面,磁層頂和弓激波的位置大約分別為1.4±0.2和1.9±0.2個水星半徑。
在水星磁層中觀測到通量很強的電子和質子，能量為幾十萬電子伏，表明在水星磁層中存在着強的加速過程，但到底是什麽加速機製，還不清楚。
火星磁層 火星的磁偶極矩大約是2.4×1022高斯·釐米3。火星表面磁赤道的磁場強度約為60納特,弓激波位置變化較大，約為1.36～1.74個火星半徑。火星磁場是它本身所固有的，還是由於太陽風與電離層相互作用所産生的，還不能完全肯定，有待進一步研究探測來證實。
參考書目
c.f.kennel,l.j.lanzerotti and e.n.parker,solarsystem plasma physics,vol.Ⅱ,north-holland publ.co.,amsterdam,1979.
a.j.dessler, physics of the jovian magnetos-phere,cambridge univ.press,cambridge,1983. |
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