基本介紹
- 中文名：行星磁層
- 外文名：planetary magnetosphere
- 簡介：受星體磁場控制的空間區域
- 相關：太陽風和行星磁場
行星磁層類型,木星磁層,土星磁層,金星磁層,水星磁層,火星磁層,參考書目,
行星磁層類型
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。
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。
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電漿與太陽風相互作用產生的。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。在向陽面磁層頂的平均位置大約是 60RJ（木星半徑RJ=71398公里）。弓激波的平均位置大約為 80RJ。木星磁層的結構如圖1。隨著太陽風條件的不同，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，磁場的分布可近似地用偶極場來表示，偶極矩MJ≈1.5×1030高斯·厘米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，磁場的方向是向南。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、場向電流和粒子分布的徑向不對稱性等）有明顯的影響。
在木衛一通量管（連線木星和木衛一的電離層的磁力線構成的磁力線管）中，存在著較強的電流。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 木星磁層有一個向外拉長的磁尾。徑向距離超過10RJ以後，磁場分布逐漸偏離偶極場，而且有較大的起伏，因為超過某一徑向距離後，在赤道區附近存在著一個薄的電漿片，此電漿片產生的電流，對外部磁層的磁場影響很大。此電流系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，磁場方向指向木星，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：低能電漿環境、熱電漿環境和輻射帶粒子。
①低能電漿環境 指粒子能量從 100電子伏到幾千電子伏的電漿環境。木星磁層中存在著幾個顯著不同的電漿區域，即電漿層、槽區、環電流區和電漿片區。
電漿層約在 2.8～6RJ的空間範圍。在此層內質子的數密度較高，約為50～100厘米-3。這些質子的特徵能量約為100電子伏。電漿層有明顯的邊界，在電漿層頂外，密度顯著降低。木衛一通量管正好是位於電漿層的外邊界，對電漿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系，由於電流不穩定性，可以激發電漿湍流，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產生無線電輻射的區域，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厘米-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厘米-3。
電漿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厘米-3，能量大約是 1千電子伏的量級。數密度隨徑向距離的增大而減小，數密度有 5小時和10小時的周期變化。大約在40RJ以內，電漿片與偶極赤道平行；但超過大約40RJ的外部區域，電漿片逐漸變得彎曲，與旋轉赤道相平行。大約在小於20RJ以內的區域，電漿是以同樣的速度隨木星旋轉；但在大於20RJ左右以外的區域，電漿的旋轉角速度隨著徑向距離的增大而減小。電漿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熱電漿環境 指電子能量大於20千電子伏，離子能量大於28千電子伏的電漿環境。大約在30RJ以外的區域，熱電漿的密度是10-1～10-6厘米-3，能量密度大約10-15～10-20焦耳/厘米3，整個區域表現為高β（熱能與磁能之比）的電漿。在向陽面一側，從30RJ到磁層頂附近，電漿是沿著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也是向著旋轉方向流動。在150RJ以外的區域，電漿變成“磁層風”離開木星向外流動，方向是太陽與木星聯線偏西20°，速度大約是從300公里/秒到大於1000公里/秒，溫度約為3×108K。
離子成分中，氧和硫與氦的比率隨著徑向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厘米-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厘米-2·秒-1，位於L≈6處。木星的十厘米波輻射，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布。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。
木星的無線電輻射和電漿波 木星磁層發射波長範圍很寬的無線電波，包括厘米波，十厘米波，十米波和千米波。一般認為無線電波的輻射與木星磁層有關。
在5～200厘米的波長範圍內，波輻射譜是平的，通量密度大約是（6.7±1.0）×10-26瓦/（米2·赫）。絕大部分的十厘米波輻射是線偏振的，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，頻頻寬度有幾百千赫。
對木星磁層內外的電漿波探測表明，在弓激波以外存在著低頻無線電波、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線電波還觀測到了上混雜波。
土星磁層
“先驅者”11號
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。
磁場分布和磁層的外形
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·厘米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，磁場的分布接近偶極場。在外部磁層，磁場分布與偶極場有系統的偏離，這是因為在向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。在向陽面，弓激波離土星的位置約在20～24RS（土星半徑 RS=60000公里）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著。
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。在此區域存在著含有O+或OH+的電漿，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，向內延伸到大約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之外粒子分布混亂，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，質子只有外磁層的百分之幾，低能電子只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，能譜複雜且變硬，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厘米-2·秒-1，能量大於3.4兆電子伏的電子最大通量是3×106厘米-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產生的，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·厘米3～6.5×1022高斯·厘米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·厘米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
由於金星沒有固有磁場，或者只有很弱的磁場，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。弓激波在向陽面對日點的平均位置大約是 1.27RV（金星半徑RV約為6050公里），在側面的平均位置大約是2.44RV。在向陽面，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。金星磁層也有向背陽面拉長的磁尾。在離金星2～5RV的遠磁尾區，存在著與地球相似的電漿片和中性片，但磁力線的方向與地球相反：黃道面以北，磁力線離開金星；黃道面以南，磁力線指向金星。
在這裡，伴隨著電漿能量的增加，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。
結構特點
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，在向陽面離子成分是O+、O娚、CO娚、C+、H+、CO+、NO+、N+、He+、O劶、O++和H娚，在200公里以下主要是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向陽面相同。氧離子O+的最大密度約為105厘米-3。
電離層的外邊界稱為電離層頂。電離層頂的高度在向陽面對日點處的高度平均約 350公里，在黃昏一邊約700公里，在早晨一邊約1000公里。
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·厘米3，水星表面赤道磁場強度為220納特。在向陽面,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著強的加速過程，但到底是什麼加速機制，還不清楚。
火星磁層
火星的磁偶極矩大約是2.4×1022高斯·厘米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產生的，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.
