磁层亚暴

　　发生于地球磁层的强烈扰动。简称亚暴。持续时间为1～2小时。主要扰动区域包括整个磁尾、等离子体片和极光带附近的电离层。

　　1961年，赤祖父俊一和S.查普曼把磁暴主相分解为环电流磁场和极区扰动磁场。极区扰动磁场的持续一般为1～2小时，比磁暴的持续时间短得多，故又称极区扰动磁场亚暴，也称地磁亚暴；因为极光活动时间和地磁亚暴一致，故极光活动又称极光亚暴。1968年，赤祖父俊一把它们统称为磁层亚暴，因为它们都是磁层扰动的表现。

　　亚暴起始时，平静光弧突然增亮，增亮区扩大，这就是极光亚暴。亚暴是南北半球共轭的，共轭点上有相同现象，共轭点是指同一条磁力线截于南北半球地面的两点。亚暴是磁尾的一种激烈而频繁的运动形式，磁扰日里几乎每天都发生数次。亚暴常成串出现，时间间隔无规律，有时第一次尚未结束，第二次接踵而来，这称为叠发亚暴。每一次爆发来不及构成完整的膨胀相，而只是一次接一次的极光增亮。亚暴的发生与行星际磁场和太阳风状态有密切关系，一般当行星际磁场持续一段时间偏南之后，就会发生一连串亚暴。磁层亚暴时，可能造成高纬度地区无线电通讯中断，地球同步轨道上的卫星充电等效应。因此，对磁层亚暴的研究具有实际意义。

　　1978年，Victoria会议对磁层亚暴及其过程给出了基本一致的定义“磁层亚暴是起始于地球夜晚面的一种瞬态过程，在此过程中来自太阳风-磁层耦合的很大一部分能量被释放并储存在极区电离层和磁层中”。“这一过程的开始以子夜区极光辉度的突增为标志，在其整个过程中极光电集流最初增加，然后恢复到亚暴前的基态水平。在亚暴期间西向电集流可能多次增强，每一次增强都伴随着Pi2脉动的爆发和西向涌浪的出现。亚暴发展时子夜分立极光区向极区和西扩展，极光活动到达最高纬度以后再逐渐恢复到暴前位置。从第一次Pi2爆发到极光区到达最高纬度的这段时间成为膨胀相。子夜区极光恢复到较低纬度这段时间叫做恢复相。”

　　1982年，Munster会议进一步对磁层亚暴过程取得了大致一致的看法：磁层亚暴“由两种性质不同的基本过程组成。这两种过程分别为直接驱动过程（太阳风能量直接传输到极区电离层和环电流中）和装-卸载过程（能量先储存于磁尾一段时间，然后在膨胀相时脉冲式地释放到极区电离层和环电流去）”

　　其中装-卸载划分为增长相，膨胀相和恢复相三个阶段。

　　地球磁层扰动的一种表现。这个概念是1968年提出的。这种扰动在其发展过程中会随时间、空间而发生一系列变化，尤其是在极区的反应最为激烈。

　　磁层亚暴的典型物理过程，首先是从行星际磁场方向反转开始的。观测表明，不少亚暴发生在行星际磁场方向由北向南反转以后。由于向南的行星际磁场和地磁场相互耦合，引起磁力线的重联，从而使磁尾中磁场强度增加，积累起大量的磁能；接着，由于磁力线重联，磁流体发电机作用加强，横越磁尾的电场和电流也增强。在将近一小时内,磁尾的等离子体便开始向地球方向运动。这时,“极光卵”赤道的侧边缘处极光突然增亮，并开始向极区移动，这就开始出现极光亚暴。与此同时，整个磁尾的等离子体片的厚度开始变薄。伴随亚暴发生的另一个过程是等离子体由磁尾向捕获区注入，这种注入是外辐射带电子的主要来源之一，也是极光带电波吸收增强的基本原因。当磁尾中的磁能积蓄到一定程度后，磁尾的磁力线由于某种不稳定性,便会发生重联,形成X型中性线(见电流片)。中性线以外的等离子体以每秒300公里的速度向外运动。毫无疑问，在出现亚暴过程中，粒子的加速过程仍然是一个本质的问题。观测的结果迄今仍很不一致，还不可能对亚暴的物理机制作出明确的说明。从物理学上作出的可能判断是，当磁尾等离子体向着地球方向运动时，为保持粒子磁矩守恒或纵向不变量守恒，电子回旋加速机制和费密加速机制均可能起重要作用，而在亚暴开始时刻，横越磁尾的横向电场加速也是极为重要的。

　　关于磁层亚暴的机制，目前的看法并不完全一致。有人认为行星际磁场由北转向南是亚暴发生的原因。但是也有人不同意这种观点，认为这种方向的改变只能控制亚暴出现的强度和纬度，对亚暴的触发和能量的释放不会有明显的影响。这些问题的解决有待于建立亚暴事件全过程的正确时间序列，以及对亚暴的形态建立一个正确的物理图像。磁层亚暴对人类的活动有很大影响。它可以影响高纬度地区的通讯，可以在长距离电缆和跨海洋的电缆中诱发感应电流，也可引起同步卫星发生强烈真空放电和高压电弧（有时甚至会导致一颗卫星的完全损坏），因而对磁层亚暴的研究有重要的实际意义。

　　用一元磁流体力学广义行波展开法进一步研究了近磁尾内边界的位型不稳定性。将笔者以前关于近磁尾赤道面附近的漂移气球模不稳定性工作推广到非赤道区和存在非定常地向流的情形。论证了减切地向流将导致近磁尾内边界绝对不稳定，并使增长率显著增加。研究表明在亚暴电流楔的形成过程中，中磁尾磁重联和近磁尾位型不稳定性可能协同地起着重要作用。在此基础上提出了一个磁层亚暴膨胀相的中性线一电流中断协同模型。该模型能解释卫星和地面的许多亚暴观测结果。不同的亚暴可能有不同的触发过程。

　　想要理解磁重联事件确切的发生过程，首先必须大致了解一下，不可见的磁拱如何束缚住太阳大气层中的炽热气体。把这样的气体称为“等离子体”(plasma)更为恰当，因为它主要是由相互分离的电子和质子构成，这意味着它是导电的。因此，电场可以推动这些带电粒子沿着电力线运动，产生电流。磁场也会对这样的带电粒子施加作用力，使它们绕着磁力线盘旋。

　　尽管电子和质子都被迫以这种方式绕着磁力线旋转，但是它们可以沿着这些磁力线的延伸方向相对自由地移动。我所说的“相对”，是指假如带电粒子朝着磁力线汇聚的方向运动，就会遭遇一种阻力。举例来说，从磁拱的顶部下降到底部的过程中，当一个粒子靠近回路的“足点”(foot point，是指磁力线会聚的地方，那里的磁场更为强烈)，它的速度就会减慢。最终，越来越强的磁场会使这个电子或质子停滞下来，再将它反推回去。这个过程就好像将网球扔向床垫。床垫中的弹簧会阻止网球的下坠，最终将它反弹上去。不过在这个例子中，网球的动能会被暂时地转移给弹簧，而太阳上的带电粒子则不同，它们并没有将自身的能量转移给磁场。相反，它们向下运动的能量被转移到盘旋运动上，增加了它们围绕磁力线旋转的频率。通过这种方式，一个磁拱的两个足点就像反射镜一样，将质子和电子来回反射。对带电粒子来说，磁拱实质上已经成为一个巨大的陷阱。

　　磁场拥有一个与生俱来的方向。例如，在一块条形磁铁周围，磁力线会从北磁极指向南磁极。如果两个平行但方向相反的磁场在等离子体中被放置在一起，电流就会在它们之间形成，形状就像一块平板。大多数人习惯于把电流想象成一维空间，比如一根电线中流动的电荷，但在太阳上，整个大气层都是导电的，没有什么能阻止电荷在二维平面中流动。由于电阻消耗了平面中的电流，这些反向磁场中蕴含的能量就会随着时间流逝而减少。

　　1956年，已故的彼得·艾伦·斯威特(Peter Alan Sweet)当时还在英国伦敦大学天文台工作，他意识到，如果方向相反的磁力线确实断裂开来，再在它们之间的电流片(译注：形如一块薄片的电流)中重新结合，即重新连接起来，磁场中能量的下降就会迅速得多。结果，两个相反的磁场就会在一场能量爆发中相互抵消，就好像物质与反物质的湮灭。相邻的磁场和其中包含的等离子体就会从两侧涌入电流片。这种现象的物理过程就是：由先前断开的磁力线连接而成的新磁场，将和等离子体一起，被抛出电流片的两端。20世纪50年代末60年代初，美国芝加哥大学的尤金·N·帕克(Eugene N. Parker)研究出了描述这种过程的数学方法。这一过程现在被称为“斯威特—帕克磁重联”。