磁层

引言

行星周围磁场最强的区域被称为磁层。太阳系中的其他岩石行星也有磁层，但地球的磁层是最强的。地球的磁层是一个动态的、相互关联的系统，它对太阳、行星和星际环境做出反应。它是由天体的内部发电机产生的。地球磁层是电离层之上的一个层。它保护地球免受宇宙射线和太阳风带电粒子的侵害。

印度地磁研究所（IIG）是科学技术部下属的一个自治机构，他们开发了一个通用的二维流体模拟代码，可以研究近地等离子体环境或地球磁层中各种相干电场结构。该代码在规划未来的太空任务方面发挥了重要作用。

为什么研究磁层是值得的？

研究磁层可以让我们了解到很多东西。首先，我们可以更好地理解它在我们太空环境中的作用。太空的基本物理学由复杂的电磁相互作用控制，这与我们日常遇到的相互作用不同。通过探索这个局部的空间环境，我们可以更多地了解宇宙空间的本质。

此外，空间天气有时会对磁层中的通信系统和太空技术产生负面影响，而我们的许多航天器都位于磁层中。通过更深入地理解磁层科学，我们可以改进我们的空间天气模型。

磁层是如何产生的？

地球的磁层是一个动态的、相互关联的系统，它对太阳、行星和星际环境做出反应。它是由地球外核深处带电的熔铁的对流运动产生的。

太阳风的持续冲击压缩了我们磁场面向太阳的一侧。

面向太阳的一侧（昼侧）的长度约为地球半径的 6 到 10 倍。背离太阳的一侧（夜侧）则延伸到月球轨道之外，距离地球 60 个半径，形成一个巨大的磁尾，其长度可变，可达数百个地球半径。

磁层结构

弓形激波

弓形激波是磁层最外层，它将磁层与周围介质分开。在行星上，太阳风在接近磁层顶时减速；在恒星上，这通常是恒星风和星际介质的分界线。恒星风等离子体与弓形激波相互作用，导致其在弓形激波上下游出现显着各向异性。这导致了弓形激波上下游的各种等离子体不稳定性。

磁鞘

磁鞘是磁层中磁层顶和弓形激波之间的区域。其主要形成来源是太阳风，虽然也存在少量来自磁层的等离子体。该区域的磁场方向和强度变化剧烈，具有很强的粒子能量流。这是由于积累的太阳风气体有效地进行了热化。它起到缓冲作用，传递了天体的磁场屏障以及太阳风流的压力。

磁层顶

磁层顶是磁层中太阳风压力与行星磁场压力相等的地方。来自磁鞘的被压缩的太阳风与磁层中的等离子体和天体的磁场汇合。由于两侧都包含磁性等离子体，这种汇合带来了复杂的相互作用。等离子体的马赫数、β 值和磁场都会影响磁层顶的形状。太阳风压力的变化会导致磁层顶的大小和形状发生变化。

磁尾

在磁尾，当磁层延伸到天体之外时，磁场被压缩并方向相反。它总共有两个瓣，称为北部和南部磁尾瓣。与南部磁尾瓣相比，北部磁尾瓣的磁力线指向天体方向。磁尾瓣几乎是空的，只有很少的带电粒子阻碍太阳风的路径。一个带电粒子密度较高、磁场较低的区域，称为等离子体片，分隔了两个磁尾瓣。

地球磁层

磁力线在高纬度处相交，然后在地球赤道附近几乎水平。另一方面，太阳风及其太阳磁场在较高海拔处对磁场产生了巨大影响。太阳风在昼侧将地球磁场压缩到约 65,000 公里（40,000 英里）的距离。弓形激波的厚度约为 17 公里（11 英里），距离地球 90,000 公里（56,000 英里）。磁层顶位于地球表面几百公里之上。地球磁层顶因允许太阳风粒子进入而被比作筛子。

沿着磁层边缘移动的大型等离子体涡旋，其速度与磁层不同，导致等离子体滑过，引发开尔文-亥姆霍兹不稳定性。随后的磁重联，由于磁力线断裂和重新连接，太阳风粒子得以进入磁层。在地球夜侧的磁尾中，磁场延伸约 6,300,000 公里（3,900,000 英里）。极光主要起源于地球磁尾。此外，美国宇航局的科学家推测，地球磁尾可能是月球上“沙尘暴”的来源，因为它可能会在月球的昼侧和夜侧之间产生差异。

其他天体的磁层

许多天体产生并维持着磁层。这包括太阳系中的所有行星：地球、天王星、海王星、木星、土星和太阳。木星的磁层是太阳系中最大的行星磁层，其昼侧延伸达 7,000,000 公里（4,300,000 英里），夜侧延伸几乎到达土星的轨道。木星的磁矩是地球的约 18,000 倍，其磁层强度是地球的十倍。

相比之下，金星、火星和冥王星没有磁场。这可能对它们的地质历史产生了重大影响。有一种理论认为，光解和太阳风可能导致金星和火星失去了原始的水。强磁层会大大阻碍这一过程。

虽然最初的发现直到 2010 年代才出现，但人们认为系外行星产生的磁层普遍存在。2014 年对 HD 209458 b 氢气蒸发进行的观测表明存在围绕该行星的磁场。2019 年发现四颗热木星拥有 20 至 120 高斯不等的表面磁场，而木星的表面磁场为 4.3 高斯。2020 年报告的来自 Tau Boötis 行星两极的射电辐射，很可能是一种环绕磁体辐射的迹象。这种辐射在 14-30 MHz 范围内被识别，很可能与行星磁场有关。2021 年，首个由 HAT-P-11b 产生的磁场的确认。2023 年，研究人员发现 YZ Ceti b 拥有第一个未经证实的由类地系外行星产生的磁场。

磁层的功能

1. 生命宜居性
   地球上的生命之所以得以存在，要归功于磁层。如果没有磁层，地球将暴露在来自太阳的太阳和宇宙辐射之下。粒子会被磁场弯曲。磁层充当宇宙辐射的屏幕，偏转来自太空的危险高速粒子。
   因此，臭氧层仍然笼罩着我们的大气层。这对宜居环境至关重要。磁层像一个气泡一样保护地球免受太阳的伤害。
   如果磁层消失，来自太阳的辐射可能会破坏保护地球免受紫外线辐射的臭氧层。磁北极和磁南极的磁力线在太空中与磁层共振。
2. 北极光
   北极光，或称极光，是由电离层中被捕获的等离子体引起的。在磁暴期间，极光呈现粉色、紫色、绿色和蓝色的光芒。
   每种颜色闪烁的程度取决于大气中氮和氧的含量。它们可能像天空中的窗帘一样，取决于它们在磁层中的位置。
   北极光在北方的天空中舞动，色彩斑斓。这不仅是一个科学奇迹，与之相关的神话可以追溯到数千年前的许多不同文明。
3. 指南针指示磁北
   整个地球是一个磁体。当你拿出指南针时，它的指针会感应到地球的磁性。它会以此与磁层的磁力线对齐。
   正如你之前看到的，这些磁力线在两极汇合处附近。指南针总是指向磁北，就是因为这个原因。
   磁北极位于北冰洋中部。然而，磁北极并非一直指向同一个方向。它每年可以移动十多公里。
4. 鸟类迁徙
   为了帮助导航，鸟类会利用磁力线。这个词指的是类似于指南针的定向能力，即“磁感应”。
   研究人员认为，这种能力是由鸟类眼睛中一种特殊的蛋白质提供的。显然，这种第六感并非鸟类独有。值得注意的是，狼、蜜蜂和蠕虫也以地球磁场为导航方式。
   磁感应是这种感知地球磁场能力的令人着迷的术语，它至今仍令科学家着迷。
5. 极点反转
   值得一提的是，在地球的历史时期，指南针并非总是指向北方。最终，它们从南转向北。这表明地球磁场逐渐反转。
   地球磁北极的极性平均每 250,000 年反转一次。但是，它们并非规律性反转。恰恰相反，它是随机的。
   在过去的三年中，磁极已经反转了十二次。通过检查富含铁的岩石，可以观察到极点反转的历史。
6. 空间条件
   太阳风是太阳不断释放的等离子体。然而，有时它会释放出巨大的冲击波，称为日冕物质抛射。最初冲击磁层的太阳耀斑会导致北极光。
   如果它们足够强大，它们可能会干扰电力系统和轨道上的卫星。这种干扰很少发生。然而，对空间天气的了解依赖于磁层。理解空间天气将帮助你理解它对人类的影响。

地磁发电机

任何天体都可以通过一种称为地磁发电机（GeoDynamo）的机制产生磁场。然而，地磁发电机并非仅限于地球。例如，恒星、行星和月球的磁场都可以存在。每个地磁发电机中都有一个旋转的流体。

这是因为物质的电荷很低，并且内核的旋转速度比地幔快。这种剧烈的搅动使对流成为可能。

除了改变行星的内部热流之外，这些对流还产生了对维持地球生命至关重要的磁场。它为我们在外太空提供了一个称为磁层的保护层。

磁重联

接近的太阳风

太阳通过日冕物质抛射（CME）向太阳系释放大量等离子体。太阳如此之大，以至于我们太阳系的大部分是由带电粒子或等离子体组成的。通常，宇宙中约 99.9% 是等离子体。

在正常情况下，当等离子体到达磁层时，它不会显着改变地球的磁力线。这会产生一个能量可以进入我们“庇护所”的裂缝。这些裂缝每天甚至每小时都会打开和关闭。

它们大多很小且短暂。另一些则持久而广泛。最终，磁层重新配置的频率取决于输入的太阳风的量。

磁重构

然而，地球的磁场有时会被太阳等离子体破坏。磁重联是指导致地球磁场重新排列成新配置的力。

当裂缝打开时，地球会接收到输入的太阳风能量。它利用地磁暴猛烈释放该能量。

磁重联会释放大量的动能，可能影响地球的通信系统和空间天气。

磁层多尺度任务（MMS）

为了更多地了解磁重联的机制，NASA 发射了磁层多尺度（MMS）任务。MMS 试图在绕磁层轨道运行时实时记录磁重联。

MMS 将通过一个四卫星四面体阵列实时测量磁重联，而不是从外部观察。每颗卫星将监测特定区域内的粒子运动和磁场。与磁重联相关。

MMS 的目标是根据磁重联预测空间天气模式，并更深入地了解粒子加速的原因。