[科普中国]-磁层顶

定义

磁层顶（magnetopause）是太阳风和磁层的交界区，它区分出太阳风和磁层的磁场和等离子体。

磁层顶外侧行星际磁场较小，太阳风等离子体密度较大、温度较低；磁层顶内侧磁层内侧磁层磁场较大，等离子体密度较小、温度较高。位于南北半球的极尖区是太阳风等离子体直接进入磁层的通道。

磁层顶是太阳风和磁层相互作用的主要区域，两者相互作用产生了多层次和多尺度结构，导致太阳风不断向磁层传输能量、动量和质量，太阳风磁层耦合过程像发电机一样在磁层产生电流和电场并驱动了磁层里大尺度的对流。1

基本特征1931年，Chapman和Ferraro在研究地磁暴时就预言地球磁层顶存在，并指出磁层顶大小受太阳风动压控制。当时，他们认为来自太阳的微粒流是间歇性的，仅发生在太阳活动期间，因而产生的地球磁层顶也具有间歇性。1951年，Bierman通过对彗尾分析表明，太阳风是任何时候都存在的。这也就说明了地球磁层顶具有永久性特点。在随后年代期间，地球磁层顶存在被大量观测卫星所证实。2

磁层顶电流片

图1画出了Explorer 12 卫星在1961年9月13号所观测到磁场强度。当天，Explorer 12卫星磁层顶穿越发生在日下点附近，地方时为12点处。根据磁场大小及方向突变可知，图1所显示磁层顶穿越点到地球距离大约为Re（Re为地球半径）。图1也给出了磁层顶内侧磁场大致为地球偶极场理论模型预报值的两倍，说明了磁层顶电流片对地球磁场屏蔽作用。3

磁层顶电流片概念最早起源于Chapman和Ferraro。图2显示了北半球Chapman-Ferraro电流片分布示意图，同时也给出了磁层顶电流产生原因。根据早期封闭模型，假设太阳风没有磁场情况下，在太阳风质子和电子开始穿入地球磁场过程中，它们将各自受洛伦茨力作用而发生相反方向偏转反射，形成了磁层顶电流。在磁层顶白天一侧，磁层顶电流由两个涡旋电流组成，南北半球各一个，其涡旋中心在极隙区处。从太阳方向往地球看去，北半球磁层顶电流逆时针旋转，南半球磁层顶顺时针旋转。根据简单平面磁层顶模型可知，磁层顶电流片厚度大致为1个离子回旋半径。不过，最初的模型过于简单，并非自洽的，而且忽略了太阳风磁场和磁层内等离子体存在。根据实际观测，磁层顶厚度大致为几个到几十个离子回旋半径，从几百公里到上千公里。4

磁层顶位形

在近地空间磁赤道面上，磁层顶形态大致可用椭圆方程来描述。然而，近地空间磁层顶位形并非呈旋转轴对称形状。根据磁层顶穿越数据统计分析，高纬磁层顶尺度要比低纬磁层顶尺度小。然而，高纬磁层顶是否存在内凹结构，他们的结论并没有达成一致。根据Safrankova等人分析结果，表明高纬磁层顶在极隙区附近存在内凹结构，在通常太阳风条件下，其内凹深度大约为2.5 - 4 Re左右。根据Zhou和Russell分析，得到并无迹象表明高纬磁层顶位形存在内凹结构。根据以往磁层顶数值计算结果，均表明高纬磁层顶存在内凹结构，其三维内凹结构如图3所示。不过需要指出的是，在六七十年代磁层顶数值计算并没有考虑磁层内部电流对地球磁场影响。对于远磁尾磁层顶位形，大致可看成旋转圆柱面形状，在各种太阳风条件下，其圆面半径大致在20到40 Re之间。通过对Pionner 7 远磁尾磁场观测结果分析，Villante得到磁尾磁层顶位形可延伸到1000Re左右。3

根据以往大量磁层顶穿越数据统计分析，在通常太阳风条件下，磁层顶日下点距离大约在10 - 11Re之间；在极弱的太阳风条件下，可达14Re；在极端太阳风条件下，磁层顶可被压缩到6.6Re以内。低纬磁层顶位形主要受太阳风动压和行星际磁场南北分量影响。根据以往大多数低纬磁层顶经验模型，当太阳风动压增加时，整个磁层受到压力增强，使磁层顶尺度减小，但磁层顶形状基本保持不变。南向行星际磁场可通过磁重联方式剥蚀白天一侧磁通量并传输到背阳面，从而造成白天一侧日下点距离减小磁尾磁层顶张角增加。南向行星际磁场对日下点侵蚀过程具有饱和性，即当南向行星际磁场强到一定程度之，日下点距离基本不再随着南向行星际磁场增强而减小。大多数低纬磁层顶经验模型得到北向行星际磁场基本不影响磁层顶日下点距离，但对于北向行星际磁场是否影响磁尾磁层顶张角，目前结论不一。对高纬磁层顶位形来讲,由于地磁偶极倾角摆动会造成整个地球磁场摆动，对极隙区位置及南北方向磁尾磁场不对称性改变特别明显，从而影响高纬磁层顶位形，如图4所示。3

研究历史理论模型对于磁层顶位形研究，理论模型要比经验模型发展的早，主要集中在60年代以及70年代初期。这些理论模型主要基于磁层顶两边太阳风动压（或磁鞘压强）和磁层顶内侧磁层磁压相互平衡理论。这些理论模型大多可给出较好的全球磁层顶基本形态，为磁层顶位形经验模型发展和完善提供了方向，但定量结果大多与实际观测差别比较大。

理论模型之间结果差别，主要源于所采用地球磁场模型不同、计算近似方法不同或其它的相关假设不同。值得提出的是，在1999年，Sotrielis和Meng采用了Tsyganenko 1996磁场模型来计算磁层顶位形，该模型能够反映太阳风及地磁指数对磁层顶位形影响，在计算过程中不仅考虑了磁层顶表面电流影响，同时还考虑了越尾电流、环电流和场向电流影响。对于磁层顶位形理论计算，还有年代之后更加复杂的数值模拟。3

经验模型定量化的磁层顶经验建模是从70年代开始的。按照模型是否能够反映上游太阳风变化划分，其整个发展过程可分为三个阶段：（1）静态磁层顶经验模型；（2）准动态磁层顶经验模型；（3）动态磁层顶经验模型。

静态磁层顶经验模型仅能给出平均磁层顶位形。准动态磁层顶经验模型采用太阳风数据分组方法，分别拟合出各组磁层顶平均位形，因此，可以实现太阳风变化对磁层顶位形影响。动态磁层顶经验模型能够描述连续太阳风变化对磁层顶位形影响。3