3.1 地球磁层顶边界

人类首先是研究自己居住的星球受太阳风影响，然后推广到其他行星。地球的磁场不能延伸到具有无穷大电导率的太阳风中，因为地磁场被限制在一个磁腔（磁层）内，这就给出了地球所能到达的边界--磁层顶。即在磁层内，一切物理过程和形成的结构，都留着地球的影响，而边界外就完全出了地球的“国界”。

太阳风给地球划定的边界线，原是禁止太阳风等离子体进入磁层，也不许地球磁场跃出边界线的，但是等离子体从来就不是安分守己的，总有极少数太阳风粒子以某种方式进入到磁层，地球磁场也与外面行星际磁场勾勾搭搭。这种边界“贸易”对磁层动力学是十分重要的，但对边界形成没什么重要影响。地球磁层顶（边界）的发现，包含了人类用物理手段研究自然界的全部内涵：太阳风等离子体与地磁偶极子场相互作用，平衡边界的设想，近似计算，精确计算，观测证实。但是事情并不到此为止，接下来是理论模型进一步精致化，弥合理论与实际的一些小矛盾，沿着理论、实际、再修改理论，循环下去。自然界本身做的事情是天衣无缝的，它不忽略任何因素，任何理论模型都不能包揽无遗地描述其美妙，理论模型只能在不断修正中接近它，随时随地总是发现新情况。从人类的感觉上来讲，好像自然界经常安排一些小把戏，让你去发现，磁层顶正是如此。

磁层顶子无面内位形曲线有一个不光滑奇点在纬度为左右，它是两条光滑曲线的交汇点，这在数学家看来颇感费解，但它却是太阳风合偶极子磁场造成的，也是一个有重要意义的发现。由于磁层顶的存在，与向日面未被拉向夜面的最后一根力线在磁层顶的交点，就是这个中性点。其实物理上这是一个区域，不是一个几何点。这个区域是由磁力线组成的尖劈形状的漏斗，叫极尖区，漏向地球磁层。

有了这个漏斗，太阳风等离子体可以由极尖区沿磁力线直接漏入磁层（并沉降在上层大气中），这已被空间探测证实。磁层顶在地球夜面延伸几十个地球半径或更远，相应地磁场也被拉成一个长尾巴，称地磁尾。这是磁层顶形成又一出人意料的直接后果。

3.2 地球弓形激波

地球磁层是一个障碍物，太阳风必须沿着磁层顶绕过它。如果超声速太阳风直接入射到磁层顶，太阳风在磁层顶引起的扰动向太阳风流来的上游以声速传播，实际上扰动信号却被太阳风携带传向下游，这是气体动力学早就有的经验。超声速的气流中，声音讯号只沿流速方向一个小角度内传播，上游是听不到声音的。这样迎面吹来的太阳风直到撞到磁层顶表面都是均匀未受扰动的。但是太阳风既然要绕过磁层顶，在磁层顶任意点，太阳风发向速度必须为零，这就与前面计算磁层顶所需的太阳风动压力矛盾。这一矛盾预示着在磁层顶前面存在着一个激波，被称为弓形激波或船首激波。弓形激波的存在使这一矛盾得到解决。

计算激波位形是作为一个无限薄的界面，在图上就是一条曲线。实际上弓形激波厚度为数百公里。当我们只关心激波位形时，或只关心激波前和激波后的物理变化时，把激波作为一个没有厚度的界面，我们放眼的尺度比激波厚度大得多，就可以这样做。但迟早我们要注意激波内部，即激波结构，这样就深入到激波形成的物理机制。研究地球弓形激波的形成把我们引导到一个极丰富的物理世界中去。

地球弓形激波与普通气体激波不同，它的耗散效应不是由粒子碰撞产生的，它的厚度也不是粒子平均自由程的量级。地球附近太阳风等离子体平均自由程大于103公里，激波厚度远小于粒子平均自由程。在即拨厚度范围粒子没有碰撞，这激波称为无碰撞激波。那么是什么样的耗散机制在无碰撞激波中限制了激波面无限变陡呢？无碰撞激波理论需在等离子体中考虑波和粒子的集体相互作用。在弓形激波过渡区由于无碰撞，等离子体不是热平衡态，容易激发等离子体波并发育成湍流，通过集体相互作用粒子把能量传给波动，波动又把能量传给另一种粒子，这一过程也等效于碰撞，即把能量和动量由一种粒子转移给另一种粒子。波和粒子集体相互作用，给出一种等效的耗散作用。

实际无碰撞等离子体，尽管在波-粒子集体相互作用的反常耗散，它与普通气体形成激波过程仍然不同，等离子体中波动的色散起着十分重要的作用。

地球弓形激波在地球参考系看它是不动的，但在太阳风参考系坐标中它是传播的，太阳风等离子体穿过激波后到了激波下游，它是磁层顶和激波之间的区域，这个区域的特点是磁场和等离子体都有很强的扰动，既表现出高马赫数激波下游的流体特征，也有太阳风平均的特性，它是人们目前在理论上认识最不清楚的一个区域。

3.3 磁层顶磁场湮灭和重联

磁层顶是太阳风压缩地磁场形成的地磁空腔边界，是作为磁场切向间断面计算出来的，一侧是地磁场而无等离子体。实际太阳风携带着行星际磁场，撞击到地磁场上，于是立刻提出问题：两个磁场在边界上如何配置？为了说明磁场在有些情形会互相连结起来，并产生重大的影响，首先讨论两磁场真空迭加情况：一个是偶极子场（地磁场）一个是均匀场（行星际磁场）两者迭加，结果是当行星际磁场北向时，磁层磁力线时闭合的，有一个边界将两者分开。而当行星际磁场南向时，磁层磁力线是开放的并在磁场为零的地方形成两个χ型中性点。这时再考虑太阳风等离子体流动，容易想象，太阳风扫过，地球向日面磁场被压缩，而背日面的磁力线就像被风吹歪的一缕炊烟，拖出长长的尾巴--地磁尾，行星际磁场恰恰在χ型中性点处与地磁场合并。

那么在地球磁层中，地磁场是完全闭合的还是部分开放的？这似乎是取决于行星际磁场的方向，但更重要的是对磁层顶间断面性质的了解。以讨论地球磁层顶是开放型的还是封闭型的为契机，在60年代中期到70年代中，对磁场重新联接问题国外科学家进行了基本理论研究。现在越来越多的人相信了磁场重联。

磁场重联的基本物理图象是，当等离子体携带反向磁场互相接近时，磁力线会突然在某些点湮灭并重新连结起来。在连结点处反向的磁场就转向自己原来对立的方向去。

磁场重联究竟在哪一点上发生并不重要，它可能是随机的，普遍相信与等离子体不稳定性有关系。观测上希望测量到等离子射流以证实重联的发生，但是由于测量上的困难，到目前尚没有直接证据说明行星际磁场与地球磁场在磁层顶的重联。

3.4 地球磁场结构与磁层发电机

地球磁层空腔内有许多复杂的结构在后面介绍，它主要磁场形态的变化需要先了解一些。在地球表面上我们丝毫感觉不到太阳风作用磁层顶引起磁场有什么变化，因为太阳风与磁层顶相互作用引起的电流，产生磁场对地面影响是极其微弱的。探测表明在3～6Rc范围内，地磁场近似位偶极子磁场，6Rc以外才明显的偏离偶极子磁场。磁场主要的变形来自于磁层电流系，磁层顶是一个间断面，磁场在这里跃变，因而磁层顶是一个电流层。太阳风把由地球极盖区发出的磁力线拖到地球背日面形成磁尾，因此在磁尾赤道面上也必然是一个电流片，一般也称中性片。因为南北半球磁力线在这上面方向相反，形成一个磁中性片。磁层内磁场分布主要就是磁层顶电流和磁尾中性片电流给出。磁层顶电流产生磁场抵消了偶极子场伸向磁层顶外面的部分，而增加了磁层内部的场。于是理论家由一个巧妙的办法算出磁层场，就是用镜像偶极子加上磁尾电流片的模式。

但是直到20世纪中叶，并不知道就在我们的头顶上存在这巨大的无与伦比的天然发电机--太阳风－磁层顶发电机。太阳风携带着行星际磁场，在地球磁层顶与地磁场连接，在地球坐标系看，我们看到太阳风等离子体垂直力线运动完全类似磁流体发电机的示意图，在洛仑兹力作用下正电荷向磁尾磁层顶黎明一侧积累；负电荷集聚黄昏一侧，于是在磁层顶黎明和黄昏两侧构成电路的正负电极。这个发电机电动势驱动电流主要有两个回路。一个电流回路是直接越过磁尾，通过磁尾中性片上下两侧等离子体片放电，在磁尾磁层顶形成两个半园筒形的回路，另一回路是越尾电流一部分沿地磁力线流向地球极区电离层，再由另一侧沿着磁力线流回。据估计磁层发电机的电动势约为50千伏，功率为千伏安，因此总电流约为2×安。这一电流主要沿磁尾回路流动，他产生的磁场就形成了地磁尾，只有一小部分电流沿着磁力线流向极区电离层，供给极区电流层焦耳热耗散。

目前人们尚不知道如何利用这电流的能量，它白白地热好于电流层，它对极区电流层加热作用对日地系统热平衡保持的利弊和日地动力系统平衡的影响也不甚清楚。

3.5 太阳风与其他行星相互作用

太阳风与地球磁场相互作用产生磁层的各个层次结构的理论预测，都逐一为空间飞船的观测所证实。但是地球磁层现象不是地球独有的，其他行星也有相同或类似的磁层结构。在地球的八个姐妹中除天王星、海王星、冥王星因距离遥远所知甚少外，其他几个行星都先后有宇宙飞船探测过，内行星：水星和金星有飞船水手10号、水手5号飞过，外行星：木星和土星有飞船先锋10号、先锋11号和航行者1号和2号飞经其附近，火星由专门的Mars－3和5对其磁场测量。人类不会只满足于对自己居住行星的了解，也会像农民观察邻居的果园一样，对其他行星详细地窥探。

一 水星磁层和弓形激波

水星是距跳月最近，也是太阳系最小的一颗行星，距太阳平均距离是0.39AU，其半径为2440公里。根据飞船水手10号的探测，水星有与地球相类似的磁层和弓形激波，它的磁层顶、磁尾电流片都与地球类似。由于水星磁场较弱，其磁矩估计为2.4×高斯·厘米3,仅为地球偶极矩的1/3400。水星磁层顶对日点到水星中心的距为1.32Rm（Rm为水星半径），这样水星磁层占据的空间很小。水星磁层内等离子体与地球的也相似。

二 金星电离层

金星是距地球最近的行星，和地球大小差不多，它距太阳平均距离为0.72AU，半径为6050公里。宇宙飞船提供了直到距进行200公里高的金星磁场数据。金星磁场很小，表面磁场强度只有3.0×高斯，所以金星磁场不足以阻止太阳风，太阳风将直接吹进金星大气，宇宙飞船水手5号测到了金星的弓形激波，但是金星没有磁层，这弓形激波是太阳风与金星电离层作用形成的。

金星电离层与地球电离层类似，电子密度在高度142公里达到极大：5.6×105/，而在500公里高度终止，即500公里是金星电离层顶，另一飞船测到的电离层顶比500公里低，约为350公里，从280公里到350公里有一个复杂结构。是否金星电离层也有几个层次，或者电离层顶是一个过渡区，有待将来仔细测量证明。另外电离层与太阳风作用形成激波的机理也仍然不清楚。

三 火星

火星曾经是科学家最为关注的一颗行星，它处于地球的外侧，距太阳平均距离为1.5AU，大小约为地球的一半，火星半径为3400公里。火星有浓厚的大气，表面有火山、盆地和河道，人们曾经一度猜测火星上可能有生命。火星也是飞船探测最多的一颗行星，曾在表面着陆。现在看来不存在生命，火星磁场也比地球小的多，其磁矩为地球偶极矩的3×倍。由于主要关注火星生命和地貌，对太阳风与火星的作用反而测量较少，只知火星也有弓形激波。

四 木星磁层

木星是太阳系最大的行星，半径为71400公里，为地球的11.2倍，它距太阳平均距离为5.2AU。木星有很强的磁场，其表面赤道附近磁场强度为3高斯，约为地球磁场的10倍，极区磁场还要强，约为9～11高斯。有如此大的磁场，与太阳风相互作用是必然的。先锋10号、11号和航行者1号、2号四个飞船，先后14次穿越木星磁层和弓形激波，给出观测的激波和磁层顶大致位形。木星的磁层十分庞大，向日面磁层顶边界距木星50～100RJ（RJ为木星半径），而它的背日面磁尾更拖的其极远，达数个天文单位（AU），有人估计甚至拖到土星轨道。如果从地球能看到木星磁层的话，它比太阳还大几倍。

很早就发现木星是太空中最亮的射电源，它发射很强的电磁波噪声，射电源就在木星磁层内。航行者1号飞船深入到木星磁层内部，对磁层等离子体观测有惊人的发现，首先发现木星外磁层等离子体温度非常高，达到3×度，这是至今太阳系内探测探测到的最高温度。由于磁层顶阻止太阳风等离子体进入木星磁层，木星外磁层等离子体密度基地，大约为/厘米，这样稀薄高温等离子体的来源和维持就很耐人寻味。探测发现太阳风压力的一些小变化，就引起木星磁层边界不稳定，这些稀薄的热等离子体逃逸损失，外磁层瓦解，然后内磁层中心向外磁层注入等离子体又将它像肥皂泡一样吹胀起来。外磁层热等离子体主要成分是氢、氧、硫的离子。

内磁层为低温等离子体，在20RJ以内，等离子体在磁场作用下与木星以10小时周期共转，共转等离子体就集中在分布在赤道下面，形成一个厚度和木星半径差不多的等离子片，称为木星磁盘。

木星有15个卫星，其中最大的四颗卫星都在木星磁层内。木星磁层不像地球磁层，是太阳风供给主要的等离子体和能量，而木星磁层等离子体和能量都来自木星系统自身。本质上木星磁层活动能量是由自转能量吸取的，木星的辐射能量比接受太阳辐射更多，木星不想普通的行星，更像一颗弱恒星。

五 土星磁层

土星是太阳系第二大行星，半径为60000公里，到太阳平均距离为9.5AU，土星的自转周期为10小时1分，绕太阳公转周期为29.46年。土星磁层主要是偶极子场，偶极子轴方向与地球相反，土星磁场与太阳风相互作用形成土星的磁层和弓形激波，磁层顶对日点距离约为20Rs（Rs为土星半径）。土星也有许多卫星都在磁层内，最远的泰坦（Titan）卫星，轨道在20 Rs处，最近的卫星米玛斯（Mimas），在3 Rs处。土星还有很多神秘的光环，这是其他行星没有的，卫星和光环与土星磁层必然有很密切的关系。由土星磁层顶至9 Rs范围为土星的外磁层，外磁层充满低密度热等离子体，主要成分为氢和氮离子，据信泰坦卫星是这些等离子体主要源，它以离子/秒的速度向磁层释放离子。

在9 Rs至4 Rs之间高能等离子体通过量减小，形成一个槽区，4 Rs以内就是内磁层。内磁层可能终止于2.3 Rs开始的环区域。在环区域已经没有为磁场捕获的稳定的带电粒子区域，带电粒子可能都已被土星环物质吸收了。土星磁层比地球磁层大，比木星磁层小，这些结果是由先锋11号和航行者1、2号飞船探测的初步成果。目前土星环尚蒙着一层神秘的面纱，20世纪飞向土星的另一艘飞船有可能揭去这层面纱。