行星磁层

[拼音]：xingxing ciceng

[外文]：planetary magnetosphere

在行星周围，被太阳风等离子体包围，受星体磁场控制的空间区域。行星磁层的形成和结构形态，主要决定于太阳风和行星磁场的分布。

行星磁层基本上可分为3种类型。

（1）固有磁场的慢旋转磁层　有些行星本身具有较强的磁场，这一磁场的磁压，足以在离行星相当远的距离处与太阳风的动压相平衡，形成磁层顶。同时，这些行星的旋转速度很慢，旋转对于磁层结构的影响可以忽略。地球磁层就属于这种类型。

（2）固有磁场的快旋转磁层　有的行星本身具有较强的磁场，而这些行星的旋转速度较快，旋转对于磁层结构有显著的影响。木星磁层就是这种类型。

（3）感应磁层　有的行星本身没有磁场或者磁场很弱，它的磁场主要是依靠行星周围的等离子体与太阳风相互作用产生的。金星磁层可能属于这种类型。

1960年以来，先后发射了各种行星探测器，对水星磁层、金星磁层、火星磁层、木星磁层和土星磁层进行了直接探测。关于天王星、海王星和冥王星的磁层，目前还缺少直接探测资料。

木星磁层

有明显的磁层顶和弓激波。在向阳面磁层顶的平均位置大约是 60R_J（木星半径R_J=71398公里）。弓激波的平均位置大约为 80R_J。木星磁层的结构如图1。随着太阳风条件的不同，磁层顶位置有较大的变化，比地球磁层顶位置的变化大得多。

木星磁场

在磁层内主要有两个不同的磁场区域，即内磁层区、磁尾和电流片区。

（1）内磁层区　从木星表面到10R_J的空间范围，在此区域内，磁场的分布可近似地用偶极场来表示，偶极矩M_J≈1.5×10³⁰高斯·厘米³，赤道面磁场为4.1高斯，比地球大10倍多一点，磁场的极性与地球相反，在磁赤道面上，磁场的方向是向南。偶极轴和旋转轴之间的夹角约为11°，偶极子离开木星中心约0.11R_J（纬度16°，经度 176°）。木星表面，在南北半球各有一个高磁场区，磁场强度分别为14.4高斯和10.8高斯。另外，还有一个低磁场区称为磁异常区，其中心大约位于北半球，经度为230°左右。木星表面磁异常区的存在，对于木星磁层中许多现象（如十米波辐射、极光、场向电流和粒子分布的径向不对称性等）有明显的影响。

在木卫一通量管（连接木星和木卫一的电离层的磁力线构成的磁力线管）中，存在着较强的电流。总电流强度约为10⁶安培。由于这一电流的影响，在此区内磁场有较大的扰动，扰动值约为±50纳特。

（2）磁尾和电流片区　木星磁层有一个向外拉长的磁尾。径向距离超过10R_J以后，磁场分布逐渐偏离偶极场，而且有较大的起伏，因为超过某一径向距离后，在赤道区附近存在着一个薄的等离子体片，此等离子体片产生的电流，对外部磁层的磁场影响很大。此电流系统集中在磁赤道附近，厚度大约为2R_J，称为电流片。在电流片的中间，磁场最弱，约为1纳特。在电流片的两边，磁场方向相反：在磁赤道以南，磁场方向指向木星，以北是离开木星。在离木星较近的区域，电流片与偶极赤道平行，但当超过某一距离（大约40R_J）后，开始偏离偶极赤道，逐渐与旋转赤道平行。

木星的粒子环境

木星磁层粒子主要来源于木星电离层及其卫星，这与地球磁层粒子来源不同。粒子成分主要有质子、氧、钠和硫等离子。木星的粒子环境按粒子能量可分为：低能等离子体环境、热等离子体环境和辐射带粒子。

（1）低能等离子体环境　指粒子能量从 100电子伏到几千电子伏的等离子体环境。木星磁层中存在着几个显著不同的等离子体区域，即等离子体层、槽区、环电流区和等离子体片区。

等离子体层约在 2.8～6R_J的空间范围。在此层内质子的数密度较高，约为50～100厘米^-3。这些质子的特征能量约为100电子伏。等离子体层有明显的边界，在等离子体层顶外，密度显著降低。木卫一通量管正好是位于等离子体层的外边界，对等离子体层有很大的调制作用。木卫一通量管是木星磁层中的一个重要区域，可以看作木星磁层中的粒子来源区和加速区。木卫一通量管中的电流，在木星电离层和木卫一之间形成一个闭合电离体系，由于电流不稳定性，可以激发等离子体湍流，结果使木卫一通量管中的粒子加速。木卫一表面不断溅射出各种成分的离子（如钠、硫等），这些离子被加速后，通过对流和扩散的形式，传输到磁层的其他区域。另外，木卫一通量管也是木星产生无线电辐射的区域，强的木星十米波辐射就发生在这一区域中。

槽区的空间范围约为6～8R_J，在此区域内质子的数密度显然降低，约为1～10厘米^-3。

环电流区约在8～15R_J的空间范围，木卫二通量管正好是在这一区域中，质子数密度是10～15厘米^-3。

等离子体片区是木星外部磁层的主要组成部分，其范围约从15R_J一直伸延到几百R_J，厚度约为2R_J。在20R_J处质子的数密度约为1厘米^-3，能量大约是 1千电子伏的量级。数密度随径向距离的增大而减小，数密度有 5小时和10小时的周期变化。大约在40R_J以内，等离子体片与偶极赤道平行;但超过大约40R_J的外部区域，等离子体片逐渐变得弯曲，与旋转赤道相平行。大约在小于20R_J以内的区域，等离子体是以同样的速度随木星旋转；但在大于20R_J左右以外的区域，等离子体的旋转角速度随着径向距离的增大而减小。等离子体的离子成分主要是氢、氧和硫。这些离子主要来源于木星电离层和木卫一。

（2）热等离子体环境　指电子能量大于20千电子伏，离子能量大于28千电子伏的等离子体环境。大约在30R_J以外的区域，热等离子体的密度是10^-1～10^-6厘米^-3，能量密度大约10^-15～10^-20焦耳／厘米³，整个区域表现为高β（热能与磁能之比）的等离子体。在向阳面一侧，从30R_J到磁层顶附近，等离子体是沿着木星的旋转方向流动。在背阳面一侧从30R_J（地方时3时左右）直到140～160R_J也是向着旋转方向流动。在150R_J以外的区域，等离子体变成“磁层风”离开木星向外流动，方向是太阳与木星联线偏西20°，速度大约是从300公里／秒到大于1000公里／秒，温度约为3×10⁸K。

离子成分中，氧和硫与氦的比率随着径向距离的增大单调地增大，同时碳与氦的比率保持不变，钠与氧的比率大约为0.05。氢和氦的比率在磁层顶外是20左右，但在磁层内是300左右。

（3）辐射带粒子　大于30兆电子伏的质子的最大通量约6×10⁶厘米^-2·秒^-1，位于 L≈3.4处（L表示磁壳参量，以木星半径作单位）。大于3兆电子伏的电子，最大通量约2.5×10⁸厘米^-2·秒^-1，位于L≈6处。木星的十厘米波辐射，是这些高能电子同步辐射的结果，电子通过同步辐射散失能量并改变投掷角的分布。通过投掷角的散射过程，辐射带粒子不断被靠近木星的卫星所吸收。

木星磁层是相对论电子的发射源。在离木星 1天文单位距离处观测到能量范围为 3～30兆电子伏的高能电子暴，其持续时间约2～3天，并且有10小时的周期，这种周期变化与木星外磁层观测到的周期变化相一致，表明这些高能电子是从木星磁层传播到行星际空间的。

木星的无线电辐射和等离子体波

木星磁层发射波长范围很宽的无线电波，包括厘米波，十厘米波，十米波和千米波。一般认为无线电波的辐射与木星磁层有关。

在5～200厘米的波长范围内，波辐射谱是平的，通量密度大约是(6.7±1.0)×10^-26瓦／（米²·赫）。绝大部分的十厘米波辐射是线偏振的，有时还表现出小的圆偏振度。十米波辐射功率很大，是突发性的；在30米以上的波辐射较弱但可以是连续发射。行星探测器“旅行者”上进行的行星射电天文学观测，发现了地面设备观测不到的木星千米波辐射，这种辐射通常持续约 1小时，频带宽度有几百千赫。

对木星磁层内外的等离子体波探测表明，在弓激波以外存在着低频无线电波、离子声波。在木卫一等离子环中测量到了高频的静电波，强的哨声型湍流和与闪电有关的哨声。在外部磁层测量到了被捕获的无线电波还观测到了上混杂波。

土星磁层

1979年9月1日，“先驱者”11号飞船接近土星，这是人类第一次对土星进行直接探测。“先驱者”11号对土星的大气结构、电离层、磁层、重力场等进行较全面的探测，并发现了新的卫星和新的土星环。1980年11月“旅行者”2号又与土星相遇，又发现了新的卫星，并对土星环的结构进行了较细的观测。土星环对土星的磁层结构有显著的影响。

磁场分布和磁层的外形

土星磁场的极性与木星相同，与地球相反，偶极矩为2.2×10²⁹高斯·厘米³。偶极轴和土星旋转轴之间的夹角很小，仅1°左右，这与地球和木星有很大的不同。在内部磁层，磁场的分布接近偶极场。在外部磁层，磁场分布与偶极场有系统的偏离，这是因为在向阳面磁层受到太阳风的压缩，在磁尾受到电流片的扰动所引起的。

土星磁层的外形与木星和地球相似，有明显的弓激波和磁层顶（如图2）。在向阳面，弓激波离土星的位置约在20～24R_S（土星半径 R_S=60000公里）的范围，磁层顶位置大约在17R_S处。在黎明一边，弓激波位置大约在49～102R_S的范围，磁层顶位置大约在30～39.81R_S范围。由于太阳风条件的变化，弓激波和磁层顶的位置是在相当大的范围内变化着。

土星的粒子环境

根据粒子的特性可分为 4个区域，即外磁层区、槽区、内磁层区和环区。

（1）外磁层区　约从 7.5R_S一直到磁层顶的区域。在此区域存在着含有O⁺或OH⁺的等离子体，这些低能离子来自土星环，而不是从太阳风穿入磁层的。在R_S以内发现低能的捕获带电粒子，向内延伸到大约7.5R_S。外磁层的主要特征，是捕获粒子的通量和投掷角随时间变化很大。在8R_S之外粒子分布混乱，磁场的极性变化较快，这是磁尾电流发展的结果。

（2）槽区　约在7.5～4R_S的空间范围。槽区的特征是粒子通量显著减少，质子只有外磁层的百分之几，低能电子只有外磁层的千分之一。减少的原因是卫星的吸收和驱赶效应，因在这一区域内有3颗卫星。

（3）内磁层区　约从4R_S直至A环外边界。在4R_S以内粒子的通量和能量都增加很快，能谱复杂且变硬，内磁层区的粒子能量大于35兆电子伏的质子最大强度为3×10⁴厘米^-2·秒^-1，能量大于3.4兆电子伏的电子最大通量是3×10⁶厘米^-2·秒^-1。在此区内，粒子通量的明显吸收特性与土卫一有关。利用这种吸收特性可以发现新的卫星，并且可以确定在此区内捕获粒子的扩散系数和加速过程。

（4）环区　约在小于2.3R_S的空间范围内。环区的主要特性，是带电粒子几乎完全被环所吸收。在A、B和C环附近，连续地观测到低通量的高能电子。

金星磁层

金星磁场

金星磁场是它本身固有的还是由于太阳风与电离层相互作用产生的，一直引起人们的兴趣。开始，由行星探测器探测到的磁场估算，金星的磁偶极矩约为H²²高斯·厘米³～6.5×10²²高斯·厘米³之间。金星表面磁场约为18～29纳特。但后来的磁场探测结果表明，金星磁偶极矩最大值约是(4.3±2.0)×10²¹高斯·厘米³，比以前的估计约低一个数量级。从这些探测结果来看，一般认为金星的固有磁场很弱，主要是太阳风与电离层相互作用引起的感应磁场。

金星磁层结构的特点

由于金星没有固有磁场，或者只有很弱的磁场，太阳风可以直接与电离层相互作用。因此，金星没有象地球、木星和土星那样的完整的磁层结构。

探测结果表明，金星有明显的弓激波。弓激波在向阳面对日点的平均位置大约是 1.27R_V（金星半径R_V约为6050公里），在侧面的平均位置大约是2.44R_V。在向阳面，磁层顶和电离层顶几乎重合在一起，在背阳面，两者明显地分开。金星磁层也有向背阳面拉长的磁尾。在离金星2～5R_V的远磁尾区，存在着与地球相似的等离子体片和中性片，但磁力线的方向与地球相反：黄道面以北，磁力线离开金星；黄道面以南，磁力线指向金星。

在这里，伴随着等离子体能量的增加，观测到磁场强度周期性地减小。这一现象表明，金星磁层中可能也发生磁层亚暴。

金星磁层结构的特点，是电离层为磁层的重要部分。靠近金星的探测结果表明，金星有成分丰富的电离层，在向阳面离子成分是O⁺、O娚、CO娚、C⁺、H⁺、CO⁺、NO⁺、N⁺、He⁺、O劶、O^{+ +}和H娚，在200公里以下主要是O⁺，但在黎明以前的区域主要是H⁺。在背阳面，在相同的条件下基本上与向阳面相同。氧离子O⁺的最大密度约为10⁵厘米^-3。

电离层的外边界称为电离层顶。电离层顶的高度在向阳面对日点处的高度平均约 350公里，在黄昏一边约700公里，在早晨一边约1000公里。

水星磁层

水星磁层和地球磁层十分相似。水星磁层结构如图3。根据测量的磁场得出的磁偶极矩为2.4×10²²～5×10²²高斯·厘米³，水星表面赤道磁场强度为220纳特。在向阳面，磁层顶和弓激波的位置大约分别为1.4±0.2和1.9±0.2个水星半径。

在水星磁层中观测到通量很强的电子和质子，能量为几十万电子伏，表明在水星磁层中存在着强的加速过程，但到底是什么加速机制，还不清楚。

火星磁层

火星的磁偶极矩大约是2.4×10²²高斯·厘米³。火星表面磁赤道的磁场强度约为60纳特，弓激波位置变化较大，约为1.36～1.74个火星半径。火星磁场是它本身所固有的，还是由于太阳风与电离层相互作用所产生的，还不能完全肯定，有待进一步研究探测来证实。

参考书目

1. C.F.Kennel，L.J.Lanzerotti and E.N.Parker，SolarSystem Plasma Physics，Vol.Ⅱ，North-Holland Publ.Co.，Amsterdam，1979.
2. A.J.Dessler， Physics of the Jovian Magnetos-phere，Cambridge Univ.Press，Cambridge，1983.