磁層，（magnetosphere），是地球上1 000km到大氣頂界之間的稀薄電離氣體層。層內(nèi)電子和離子的運(yùn)動(dòng)受地球磁場(chǎng)支配。
科技名詞定義
中文名稱：磁層
溴化鉺：magnetosphere
定義：地球上1?000?km到大氣頂界之間的稀薄電離氣體層。層內(nèi)電子和離子的運(yùn)動(dòng)受地球磁場(chǎng)支配。
所屬學(xué)科：大氣科學(xué)（一級(jí)學(xué)科）；大氣（二級(jí)學(xué)科）
地球磁場(chǎng)
簡(jiǎn)言之是偶極型的，近似于把一個(gè)磁鐵棒放到地球中心，使它的Ｎ極大體上對(duì)著南極洲而產(chǎn)生的磁場(chǎng)形狀。當(dāng)然，地球中心并沒(méi)有磁鐵棒，而是通過(guò)電流在導(dǎo)電液體核中流動(dòng)的發(fā)電機(jī)效應(yīng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的。
地球磁場(chǎng)不是孤立的，它受到外界擾動(dòng)的影響，宇宙飛船就已經(jīng)探測(cè)到太陽(yáng)風(fēng)的存在。太陽(yáng)風(fēng)是從太陽(yáng)日冕層向行星際空間拋射出的高溫高速低密度的粒子流，主要成分是電離氫和電離氦。
因?yàn)樘?yáng)風(fēng)是一種等離子體，所以它也有磁場(chǎng)，太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)對(duì)地球磁場(chǎng)施加作用，好像要把地球磁場(chǎng)從地球上吹走似的。盡管這樣，地球磁場(chǎng)仍有效地阻止了太陽(yáng)風(fēng)長(zhǎng)驅(qū)直入。在地球磁場(chǎng)的反抗下，太陽(yáng)風(fēng)繞過(guò)地球磁場(chǎng)，繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，于是形成了一個(gè)被太陽(yáng)風(fēng)包圍的、慧星狀的地球磁場(chǎng)區(qū)域，這就是磁層。
地球磁層
地球磁層位于地面600～1000公里高處，磁層的外邊界叫磁層頂，離地面5～7萬(wàn)公里。在太陽(yáng)風(fēng)的壓縮下，地球磁力線向背著太陽(yáng)一面的空間延伸得很遠(yuǎn)，形成一條長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，稱為磁尾。在磁赤道附近，有一個(gè)特殊的界面，在界面兩邊，磁力線突然改變方向，此界面稱為中性片。中性片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度微乎其微，厚度大約有1000公里。中性片將磁尾部分成兩部分：北面的磁力線向著地球，南面的磁力線離開地球。
1967年發(fā)現(xiàn)，在中性片兩側(cè)約10個(gè)地球半徑的范圍里，充滿了密度較大的等離子體，這一區(qū)域稱作等離子體片。當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)劇烈時(shí)，帶電粒子片中的高能粒子增多，并且快速地沿磁力線向地球極區(qū)沉降，于是便出現(xiàn)了千資百態(tài)、絢麗多彩的極光。由于太陽(yáng)風(fēng)以高速接近地球磁場(chǎng)的邊緣，便形成了一個(gè)無(wú)碰撞的地球弓形激波的波陣面。波陣面與磁層頂之間的過(guò)渡區(qū)叫做磁鞘，厚度為3～4個(gè)地球半徑。
地球磁層是一個(gè)頗為復(fù)雜的問(wèn)題，其中的物理機(jī)制有待于深入研究。磁層這一概念近來(lái)已從地球擴(kuò)展到其他行星。甚至有人認(rèn)為中子星和活動(dòng)星系核也具有磁層特征。
概念由來(lái)
位于地球周圍、被太陽(yáng)風(fēng)包圍并受地磁場(chǎng)控制的等離子體區(qū)域。磁層的概念是英國(guó)的S.查普曼于20世紀(jì)30年代首先提出來(lái)的。50～60年代，人造地球衛(wèi)星對(duì)地球高帶電粒子區(qū)域的探測(cè)，證實(shí)了地球磁層的存在。
結(jié)構(gòu)
磁層由磁層頂、等離子體幔、磁尾、中性片、等離子體層、等離子體片等組成。在磁層頂外還存在磁鞘和弓沖擊波。地球磁層始于距地面約法三章1000千米處，向外延伸至磁層頂。磁層頂為磁層的外邊界，向陽(yáng)側(cè)呈一橢球面，地球位于它的一個(gè)焦點(diǎn)上；背陽(yáng)側(cè)是略扁向外略張開的圓筒形，該圓筒所圍成的空腔稱磁尾。
在平靜的太陽(yáng)風(fēng)中，磁層頂在向陽(yáng)側(cè)距地心約為10個(gè)地球半徑，在兩極約為13～14個(gè)地球半徑，在背陽(yáng)側(cè)最遠(yuǎn)處可達(dá)1000個(gè)地球半徑。太陽(yáng)激烈擾動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致太陽(yáng)風(fēng)密度和速度大為增大，磁層也隨之大大被壓縮，這時(shí)向陽(yáng)側(cè)的磁層頂可能離地心只有6～7個(gè)地球半每項(xiàng)。即使在太陽(yáng)寧?kù)o時(shí)，地球軌道附近的太陽(yáng)風(fēng)平均速度也高達(dá)300～400千米/秒，當(dāng)受到磁層阻擋時(shí)，在磁層的上游方向約幾個(gè)地球半徑處，形成一個(gè)相對(duì)磁層頂靜止的弓激波與磁層頂之間的空間，形成磁鞘，其厚度為3～4個(gè)地球半徑。在磁尾中存在著一個(gè)特殊的界面，在界面丙邊，磁力線突然改變方向，此界面稱中性片（電流片）。在向陽(yáng)側(cè)正子午面上，有兩個(gè)點(diǎn)叫中性點(diǎn)，南北半球各一個(gè)，位于緯度約60°處。在中性點(diǎn)附近，由于磁場(chǎng)比較弱，磁鞘內(nèi)的帶電粒子可一直深入到地球附近，形成漏斗狀的極尖區(qū)或稱極隙區(qū)。地球磁層內(nèi)充滿著等離子體，比較密集的區(qū)域有中性片兩側(cè)的等離子體片、磁層頂內(nèi)側(cè)的等離子體幔、等離子體層以及由高能帶電粒子組成的國(guó)輻射帶。太陽(yáng)有時(shí)噴發(fā)密度和速度都比太陽(yáng)寧?kù)o時(shí)大得多的等離子體流，它引起地球磁層劇烈的擾動(dòng)，即磁層星期暴。
這時(shí)磁層被壓縮，地磁場(chǎng)也隨之發(fā)生劇烈的變化，即發(fā)生磁暴或磁層亞暴。磁擾時(shí)導(dǎo)致電離層電子密度異常，稱電離層暴，此時(shí)短波無(wú)波無(wú)線電通訊受到嚴(yán)重干擾。與地球磁層類似，在行星周圍也會(huì)形成磁層，稱行星磁層，如木星磁層、土星磁層、金星磁層、水星磁層、火星磁層等。行星磁層的形成和結(jié)構(gòu)形態(tài)，主要取決于行星磁場(chǎng)的強(qiáng)弱、分布及其與太陽(yáng)風(fēng)的相互作用。
研究歷史
1958年探險(xiǎn)者一號(hào)人造衛(wèi)星在國(guó)際地球物理年的研究范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了地球的磁圈。由于太陽(yáng)耀斑有時(shí)導(dǎo)致“磁暴”，因此科學(xué)家在此前就已經(jīng)知道在太空中有電流流動(dòng)，但是當(dāng)時(shí)沒(méi)有人知道這些電流在哪里流動(dòng)和其原理是什么，當(dāng)時(shí)人們也不知道太陽(yáng)風(fēng)的存在。1958年8月和9月美國(guó)進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)測(cè)試關(guān)于輻射帶的理論以及是否能夠在戰(zhàn)爭(zhēng)中利用它。
1959年戈?duì)柕?/a>提議使用“磁圈”這個(gè)名稱。他寫道：“電離層以上至目前已知的地球半徑十倍的地方地球的磁場(chǎng)對(duì)氣體和高速帶電粒子的運(yùn)動(dòng)起主要影響；這個(gè)區(qū)域應(yīng)該被稱為磁圈。”（Journal?Geophysical?Results，LXIV.?1219/1）
正文
在天體周圍被空間等離子體包圍并受天體磁場(chǎng)控制的區(qū)域。許多天體都具有磁場(chǎng)，絕大部分宇宙物質(zhì)以等離子體形式存在，所以磁層在宇宙中是很普遍的。磁層一詞最早是戈?duì)柕?T.Gold)在1959年研究太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用時(shí)提出來(lái)的，當(dāng)時(shí)專指地球磁層，隨著對(duì)其他天體磁層的探測(cè)和研究逐漸增多，磁層一詞就泛指所有天體的磁層。
直接探測(cè)證明，太陽(yáng)系中的水星、地球、木星和土星都具有較強(qiáng)的磁場(chǎng)，太陽(yáng)風(fēng)流過(guò)它們時(shí)都形成磁層(見行星磁層)。太陽(yáng)及其行星際磁場(chǎng)一同在星際空間運(yùn)動(dòng)，排斥星際介質(zhì)而形成的日球，就是太陽(yáng)磁層。由于等離子體的密度和速度以及星體磁矩的大小和方向等不同，磁層的尺度和結(jié)構(gòu)也有很大差異。
磁層研究雖已由地球磁層擴(kuò)展到行星磁層，但地球磁層還是人類有能力直接探測(cè)并詳細(xì)研究的唯一空間區(qū)域，是研究的重點(diǎn)，地球磁層具有很復(fù)雜的磁層結(jié)構(gòu)和密度變化范圍很寬的等離子體。研究地球磁層，有助于對(duì)其他天體磁層的了解。
參考資料 >