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空间磁层与磁层亚暴研究综述

孙福玉
摘 要
磁层是天体周围被空间等离子体包围并受天体磁场控制的区域。磁层亚暴是磁层的高纬地区夜半侧和磁尾的强烈扰动。本文从近年来磁层物理学的主要进展入手，研究空间磁层和磁层亚暴，并从定性和定量方面系统的探讨了空间磁层的研究手段和磁层亚暴的几种产生机制。总结出最佳科研手段和理论，并对我国磁层物理学的发展提出若干建议。
关键词
日地系统扰动;行星际扰动结构;太阳风涨落;MHD数值模拟
： P353： A
DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2020.03.092
0 前言
空间物理学主要研究太阳系中的物理现象与规律，研究空间环境以及它对人类空间活动和地球生态环境的影响。随着全球科学技术的发展，人们利用火箭、卫星等升空工具探测高空磁场、高能粒子、等离子体等，这是磁层物理学形成和发展的基础。
磁层是天体周围被空间等离子体包围并受天体磁场控制的区域。也就是说如果行星在内部产生一个显著的磁场，那么它就有磁层。所以对于磁层的研究一般可分为两个方向，地球磁层和行星磁层。
地球具有很强的磁场。当太阳产生的太阳风到地球附近的磁场空间时，与地球南北极产生的磁场作用，由于强作用把地球磁场包围在一个区域内，这个区域就叫作空间磁层。因此地球磁层可定义为地球被太阳风包围并受地球磁场控制的区域。一个行星，若它内部没有产生较大磁场，通过电流与太阳风等离子体相互作用，则会产生它的导电电离层。
磁层亚暴是磁层的高纬地区夜半侧和磁尾的强烈扰动。扰动区城包括整个磁尾、等离子体片及极光带附近的电离层，持续时间约1～2h。在外形復杂、材料性质不同的航天器表面上会出现不等量的电位。由于磁层亚暴效应电位差高达一定数值，产生表面放电，造成电介质击穿元器件烧毁，光学敏感面被污染，也可以以电磁脉冲的形式给航天器内外的电子元器件造成各种有害的干扰。
1 日地系统扰动多层次综合研究
在1997年章公亮等对日地系统扰动的多层次综合做了大量的研究。 分析了磁暴形态类型对行星际扰动的结构，包括激波、高密度结构、强磁场结构、高速流等的响应特征。讨论了磁暴主相形成、延迟和消隐，及初相形成的条件，说明了磁暴形态类型对日地扰动组合结构响应的基本规律。验证了磁膨胀与热膨胀不同，磁膨胀是一种磁流体力学慢过程是由于新的磁通量出现所引起。根据其研究理论，太阳风必须是超磁声速的，即超阿尔文波速流才可以。近些年绝大多数的行星际观测是符合此理论预测的。而也有研究表明在行星际空间观测到低速太阳风中的亚阿尔文波速流的两个例子，用经典太阳风理论是行不通的。章公亮发现了1979年6月6日行星际强激波事件也出现亚阿尔文波速流，这是高速流中的亚阿尔文波速流的初次发现。章公亮等对磁暴发生机制及其对行星际条件响应过程的研究起了推动作用。
2 磁层亚暴的机制
隆辉、许乃怀、胡文瑞对太阳风动量的涨落对亚暴的影响做了大量的研究。通过无碰撞等离子体动力学理论，推导证实了太阳风涨落所激发的快磁声波接近无消耗地传过磁尾，几乎全部消耗在等离子体片中。从而提出了太阳风涨落加热等离子体片从而产生磁层亚暴的机制。
我们知道亚暴增长和膨胀期间的一个重要特征是等离子体片变薄，因此我国学者着重研究磁层亚暴期间等离子体片边界层的K-H不稳定性。刘振兴、丁大庆在给定流场和一定的假定条件下，分别对理想的和黏性的MHD方程进行求解，首次讨论了流场对等离子体片结构的影响。提出了亚暴处于增长相时，等离子体片变薄较显著;处在膨胀相时，一部分等离子体片仍继续变薄。
刘振兴、丁大庆用二维MHD方法应用于磁层亚暴过程，很好地解释磁层亚暴期间等离子体片变薄和变厚等主要现象。对磁层亚暴机制的研究方式和途径提供一种新思路对空间物理学的发展产生深远影响。
3 近磁尾位形不稳定性（NEMTCI） 理论
从卫星探测数据可以看出，磁层亚暴可能发生在近地（6-10个地球半径）磁尾。我国科学家分析同步高度卫星（GEOS2）的资料后发现，磁层亚暴增长相后期阶段，近磁尾出现指向地球的粒子能量梯度是非常强的， 磁尾出现磁力线。增长相后期一旦极区电离层电导率突增，则该不稳定性便可在近磁尾内边界附近发生，从而对亚暴膨胀相的触发起关键性作用，这就是近磁尾位形不稳定性（NEMTCI）理论。当存在地向等离子体流时NEMTCL更容易发展，因此中磁尾重联可通过NEMTCL触发强磁层亚暴，这也是亚暴产生的机制之一。将中性线模型和电流中断模型相结合，提出一个亚暴膨胀相的全球模型。从而可得出从全球过程研究亚暴机制是一个正确的选择的结论。
4 全球MHD数值模拟
太阳风一磁层一电离层系统的演化和系统内部的耦合过程，是磁层物理学研究课题之一。我们知道太阳风一磁层一电离层系统是一个存在内部耦合的复杂动力学系统，系统中的电离层、磁层、太阳风相互作用，因此产生的磁层亚暴不是局地的现象，而是一个系统的整体行为。对系统局部区域进行亚暴的研究，基于对系统整体行为的确切理解。然而现阶段观测手段还只能是实现局部的观测，无法对系统的整体行为做有效的监测，这是研究的一个重要短板。
科学的发展已经从定性研究转化为定量研究，然而全球MND数值模拟是研究复杂系统中非线性相互作用的有效工具。因此对SMI系统的数值模拟将发挥越来越重要的作用。对SMI系统的数值模拟不仅能有效地解决现阶段观测手段还只能是实现局部的观测的局限，还可以加深我们对SMI系统的基本物理过程的认识。对研究亚暴机制和行星际条件响应过程起到推动作用。
5 总结
磁层亚暴是磁层能量释放和转换过程的表现形式之一，是引起磁层、电离层和高层大气扰动的主要因素，是造成电介质击穿元器件烧毁，光学敏感面被污染的重要因素，其能对航天器内外的电子元器件造成各种有害的干扰，因此是日地空间物理研究中的核心问题。地球是人类赖以生存的家园，地球磁层是当前人类空间活动和空间开发利用的主要空间区域，同时也是人类的保护伞。地球磁层的探测和磁层亚暴的研究对空间活动的安全保障和对人类生存环境的维护有重要应用价值。
磁层亚暴机制是学术界活跃话题，其中太阳风涨落加热等离子体片从而产生磁层亚暴的机制是一种新发现，为磁暴的研究指明新的方向。磁层亚暴是太阳风-磁层-电离层系统复杂的能量耦合过程，仅侧重于局部电路系统的研究是行不通的。磁层-电离层等效电网络模型是较为完善的电路模型，并在此基础上发现当行星际磁场南向分量持续时间较长，可导致间歇地出现多次磁层亚暴，这对探讨磁层亚暴产生机制和地球对行星际扰动的响应过程有启发作用。
随着科技的发展，人们发现要想阐明磁暴形态类型对行星际扰动组合结构响应的基本规律，识别磁膨胀形成的行星际结构，对亚阿尔文波速流的出现做出合理解释，对日地系统扰动进行多层次综合研究是必不可少的。太阳风一磁层一电离层系统是一个存在复杂内部耦合的动力学系统。提出一个亚暴膨胀相的全球模型和运用全球MHD数值模拟，对亚暴进行定量研究是大势所趋。
形成先进的国际空间探测技术，加强观测数据的准确性。加强国内外合作积极参与国际空间探测与研究计划。加强理论和数值模拟研究相结合，提高研究水平和国际竞争力。磁层亚暴对太阳活动的影响，行星际扰动的全响应过程等应作为重点研究课题。
参考文献
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