磁層

中文名稱：磁層

英文名稱：magnetosphere

定義：地球上1 000 km到大氣頂界之間的稀薄電離氣體層。層內電子和離子的運動受地球磁場支配。

所屬學科：大氣科學（一級學科）；大氣（二級學科）

簡言之是偶極型的，近似於把一個磁鐵棒放到地球中心，使它的Ｎ極大體上對著南極而產生的磁場形狀。當然，地球中心並沒有磁鐵棒，而是通過電流在導電液體核中流動的發電機效應產生磁場的。

地球磁場不是孤立的，它受到外界擾動的影響，宇宙飛船就已經探測到太陽風的存在。太陽風是從太陽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。

因為太陽風是一種等離子體，所以它也有磁場，太陽風磁場對地球磁場施加作用，好像要把地球磁場從地球上吹走似的。儘管這樣，地球磁場仍有效地阻止了太陽風長驅直入。在地球磁場的反抗下，太陽風繞過地球磁場，繼續向前運動，於是形成了一個被太陽風包圍的、慧星狀的地球磁場區域，這就是磁層。

地球磁層位於地面600～1000公里高處，磁層的外邊界叫磁層頂，離地面5～7萬公里。在太陽風的壓縮下，地球磁力線向背著太陽一面的空間延伸得很遠，形成一條長長的尾巴，稱為磁尾。在磁赤道附近，有一個特殊的界面，在界面兩邊，磁力線突然改變方向，此界面稱為中性片。中性片上的磁場強度微乎其微，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年發現，在中性片兩側約10個地球半徑的範圍里，充滿了密度較大的等離子體，這一區域稱作等離子體片。當太陽活動劇烈時，等離子片中的高能粒子增多，並且快速地沿磁力線向地球極區沉降，於是便出現了千資百態、絢麗多彩的極光。由於太陽風以高速接近地球磁場的邊緣，便形成了一個無碰撞的地球弓形激波的波陣面。波陣面與磁層頂之間的過渡區叫做磁鞘，厚度為3～4個地球半徑。

地球磁層是一個頗為複雜的問題，其中的物理機制有待於深入研究。磁層這一概念近來已從地球擴展到其他行星。甚至有人認為中子星和活動星系核也具有磁層特徵。

位於地球周圍、被太陽風包圍並受地磁場控制的等離子體區域。磁層的概念是英國的S.查普曼於20世紀30年代首先提出來的。50～60年代，人造地球衛星對地球高帶電粒子區域的探測，證實了地球磁層的存在。

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激波。地球磁層始於距地面約法三章1000千米處，向外延伸至磁層頂。磁層頂為磁層的外邊界，向陽側呈一橢球面，地球位於它的一個焦點上；背陽側是略扁向外略張開的圓筒形，該圓筒所圍成的空腔稱磁尾。

在平靜的太陽風中，磁層頂在向陽側距地心約為10個地球半徑，在兩極約為13～14個地球半徑，在背陽側最遠處可達1000個地球半徑。太陽激烈擾動時，導致太陽風密度和速度大為增大，磁層也隨之大大被壓縮，這時向陽側的磁層頂可能離地心只有6～7個地球半每項。即使在太陽寧靜時，地球軌道附近的太陽風平均速度也高達300～400千米/秒，當受到磁層阻擋時，在磁層的上遊方向約幾個地球半徑處，形成一個相對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個地球半徑。在磁尾中存在著一個特殊的界面，在界面丙邊，磁力線突然改變方向，此界面稱中性片（電流片）。在向陽側正子午面上，有兩個點叫中性點，南北半球各一個，位於緯度約60°處。在中性點附近，由於磁場比較弱，磁鞘內的帶電粒子可一直深入到地球附近，形成漏斗狀的極尖區或稱極隙區。地球磁層內充滿著等離子體，比較密集的區域有中性片兩側的等離子體片、磁層頂內側的等離子體幔、等離子體層以及由高能帶電粒子組成的國輻射帶。太陽有時噴發密度和速度都比太陽寧靜時大得多的等離子體流，它引起地球磁層劇烈的擾動，即磁層星期暴。

這時磁層被壓縮，地磁場也隨之發生劇烈的變化，即發生磁暴或磁層亞暴。磁擾時導致電離層電子密度異常，稱電離層暴，此時短波無波無線電通訊受到嚴重干擾。與地球磁層類似，在行星周圍也會形成磁層，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構形態，主要取決於行星磁場的強弱、分佈及其與太陽風的相互作用。

1958年探險者一號人造衛星在國際地球物理年的研究範圍內發現了地球的磁圈。由於太陽耀斑有時導致“磁暴”，因此科學家在此前就已經知道在太空中有電流流動，但是當時沒有人知道這些電流在哪裡流動和其原理是什麼，當時人們也不知道太陽風的存在。1958年8月和9月美國進行試驗來測試關於輻射帶的理論以及是否能夠在戰爭中利用它。

1959年托馬斯·戈爾德提議使用“磁圈”這個名稱。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對氣體和高速帶電粒子的運動起主要影響；這個區域應該被稱為磁圈。”（Journal Geophysical Results，LXIV. 1219/1）

在天體周圍被空間等離子體包圍並受天體磁場控制的區域。許多天體都具有磁場，絕大部分宇宙物質以等離子體形式存在，所以磁層在宇宙中是很普遍的。磁層一詞最早是戈爾德(T.Gold)在1959年研究太陽風與地球磁場相互作用時提出來的，當時專指地球磁層，隨著對其他天體磁層的探測和研究逐漸增多，磁層一詞就泛指所有天體的磁層。

直接探測證明，太陽系中的水星、地球、木星和土星都具有較強的磁場，太陽風流過它們時都形成磁層(見行星磁層)。太陽及其行星際磁場一同在星際空間運動，排斥星際介質而形成的日球，就是太陽磁層。由於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，磁層的尺度和結構也有很大差異。

磁層研究雖已由地球磁層擴展到行星磁層，但地球磁層還是人類有能力直接探測並詳細研究的唯一空間區域，是研究的重點，地球磁層具有很複雜的磁層結構和密度變化範圍很寬的等離子體。研究地球磁層，有助於對其他天體磁層的了解。