磁圈是圍繞天體的一種特殊區域，其特征是以天體自身的磁場為主導。地球、木星、土星、天王星和海王星都具有磁圈。然而，水星和木衛三盡管擁有磁場，但由于磁場強度較低，未能形成完整的磁圈。火星雖有局部磁場，但也未形成磁圈。其他具有磁場的天體，如脈沖星，同樣具備磁圈。
形成與特點
磁圈是地球的遠地磁場，由地球磁場與太陽風相互作用而成。磁圈的外部邊界為磁層頂，可達13,000公里空間，超越地球大氣最外層界限，故稱超外圈。磁圈并非理想環狀，受太陽風影響，面向太陽一側磁層被壓縮，背向太陽一側則延伸較遠。磁圈形態類似彗星，發揮保護地表生物的重要作用，捕獲并禁錮太陽風攜帶的有害粒子，防止其到達地面。
發現與命名
1958年，探險者一號衛星在國際地球物理年期間發現地球磁圈。此前，科學家已知太空中存在電流，但不知其具體位置及原理。同年8月至9月，美國進行了相關實驗。1959年，托馬斯·戈爾德提出“磁圈”這一術語，描述地球磁場對氣體和高速帶電粒子的主要影響區域。
結構與影響因素
地球磁圈的形狀和大小取決于地球磁場、太陽風離子和行星際磁場。磁圈非球狀，朝向太陽一面邊界距地心約7萬公里，隨著太陽風強度變化。磁圈邊界稱為磁頂，朝向太陽一側距地心約15倍地球半徑，背向太陽一側則達20至25倍地球半徑，尾部可延伸至200倍地球半徑以上。地球最外層中性氣體層為地冕，主要由氫和氦組成，可延伸至4至5倍地球半徑。磁圈中的高溫等離子可與地冕原子碰撞，產生高速逃逸原子，用于測試和展示高溫等離子云。地球電離層最外部分為等離子層，也可延伸至4至5倍地球半徑。極風可逃逸出磁圈，與太陽風匯合。極光釋放的能量可加熱大氣層中的氧和氧氣分子，使其在外流過程中擴展磁圈。
特征
地球磁圈的結構和性能主要受地球磁場和太陽風影響。地磁場可能由地核內液態金屬流動引起的發電機原理產生，近似于傾斜10°的磁棒。太陽風是從太陽表面流出的快速熱等離子，速度可達400千米每秒，由日冕高溫引起。太陽風成分與太陽相似，約95%為質子，4%為氦原子核，其余為較重元素。在地球軌道處，密度通常為每立方厘米六離子，隨太陽活動變化。行星際磁場強度在2至5納特斯拉之間。磁圈與太陽風間的邊界稱為磁頂，磁圈成為被太陽風包圍的腔室。磁圈與太陽風間的隔離并不完全，太陽風可通過磁重聯等方式將能量傳遞給磁圈。面對太陽一側，磁圈與太陽風形成無撞擊弓形激波，激波背后等離子體速度降至阿爾文速度，隨后又恢復原速。
輻射帶
1958年，科學家意外發現地球周圍的范艾倫輻射帶，由能量在10至100MeV的質子組成，源于宇宙線與地球大氣上層的撞擊。外輻射帶位于2.5至8倍地球半徑處，由較高能量的離子和電子組成。環電流等離子體也存在于此。輻射帶中的離子穩定性各異，內輻射帶的離子特別穩定，可維持數年之久。外輻射帶和環電流不穩定，因其粒子與地冕粒子碰撞而不斷喪失。表明此處存在不斷產生新等離子的機制。
磁尾
太陽風將磁圈中的等離子吹走，形成磁尾。地球磁尾延伸至月球軌道外，木星磁尾預計延伸至土星軌道外。磁尾中的等離子旋轉至磁尾末端，然后回流至行星。磁尾中也有無物質流的中斷區域，稱為波谷，其大小和位置會變化，有時合并或消失。磁尾甚至會反轉，釋放高溫高電離粒子。
太空中的電流
太空中大多數磁場由電流產生。磁圈中的電流擴展地球磁場，決定遠離地球的磁場結構。環電流加強外部磁場，削弱內部磁場。磁暴時，環電流增強，地球表面磁場減弱1%至2%。磁場變形和電流流動相互作用，難以區分因果關系。除水平環流外，還有從遠太空進入電離層，然后反彈回太空的電流，稱為伯克蘭流。伯克蘭流加熱電離層，導致霍爾效應，加速磁圈粒子，電離氧原子，使其進入環電流。
分類
磁圈可分為五個部分：地磁場、環電流場、磁圈內場、尾流系統和伯克蘭流場。每個部分都有相應的電流和磁場結構。
磁暴和磁亞暴
美國國家航空航天局發射西彌斯衛星研究太陽風對磁圈的影響和磁亞暴的形成原理。當行星際磁場指向南方時，磁圈內的磁場與其相反，易連接，導致太陽風能量和物質進入磁圈。磁尾擴張和不穩定，結構突然變化，引發磁亞暴。磁亞暴不明顯加強環電流，但磁暴顯著加強環電流。磁暴時，磁圈邊界向地球移動，磁尾等離子體劇烈進入磁圈，環電流中的等離子粒子劇增，環電流逼近地球，改變地球附近磁場，導致極光和伯克蘭流。
參考資料 >
地球磁場—人類賴以生存的必須環境—第六章 地球磁層.百家號.2024-11-25
磁圈.gravity.2024-11-25
天體的構造與磁場的形成:為什么幾乎每個星球都有各自的磁場呢?.網易.2024-11-25