磁層亞暴

磁層亞暴

磁層亞暴(magnetospheric substorm)是地球空間最重要的能量輸入、耦合和耗散過程。

磁層亞暴 magnetospheric substorm

磁層亞暴是地球空間最重要的能量輸入、耦合和耗散過程。“亞暴”最先是Akasofu和chapman(1977)用來描述磁暴期間出現的短暫的強磁擾動,每次延續2~3小時。磁層亞暴和磁暴是兩個既有聯繫又有區別的過程。[1]

正文

地球磁層擾動的一種表現。這個概念是1968年提出的。這種擾動在其發展過程中會隨時間、空間而發生一系列變化,尤其是在極區的反應最為激烈。磁層亞暴的典型物理過程,首先是從行星際磁場方向反轉開始的。觀測表明,不少亞暴發生在行星際磁場方向由北向南反轉以後。由於向南的行星際磁場和地磁場相互耦合,引起磁力線的重聯,從而使磁尾中磁場強度增加,積累起大量的磁能;接著,由於磁力線重聯,磁流體發電機作用加強,橫越磁尾的電場和電流也增強。在將近一小時內,磁尾的電漿便開始向地球方向運動。這時,“極光卵”赤道的側邊緣處極光突然增亮,並開始向極區移動,這就開始出現極光亞暴。與此同時,整個磁尾的電漿片的厚度開始變薄。伴隨亞暴發生的另一個過程是電漿由磁尾向捕獲區注入,這種注入是外輻射帶電子的主要來源之一,也是極光帶電波吸收增強的基本原因。

磁層亞暴磁層亞暴

當磁尾中的磁能積蓄到一定程度後,磁尾的磁力線由於某種不穩定性,便會發生重聯,形成X型中性線(見電流片)。中性線以外的電漿以每秒300公里的速度向外運動。毫無疑問,在出現亞暴過程中,粒子的加速過程仍然是一個本質的問題。觀測的結果迄今仍很不一致,還不可能對亞暴的物理機製作出明確的說明。從物理學上作出的可能判斷是,當磁尾電漿向著地球方向運動時,為保持粒子磁矩守恆或縱向不變數守恆,電子回旋加速機制費密加速機制均可能起重要作用,而在亞暴開始時刻,橫越磁尾的橫向電場加速也是極為重要的。關於磁層亞暴的機制,目前的看法並不完全一致。有人認為行星際磁場由北轉向南是亞暴發生的原因。但是也有人不同意這種觀點,認為這種方向的改變只能控制亞暴出現的強度和緯度,對亞暴的觸發和能量的釋放不會有明顯的影響。這些問題的解決有待於建立亞暴事件全過程的正確時間序列,以及對亞暴的形態建立一個正確的物理圖像。磁層亞暴對人類的活動有很大影響。它可以影響高緯度地區的通訊,可以在長距離電纜和跨海洋的電纜中誘發感應電流,也可引起同步衛星發生強烈真空放電和高壓電弧(有時甚至會導致一顆衛星的完全損壞),因而對磁層亞暴的研究有重要的實際意義。

磁層亞暴過程的國際定義

1978年,Victoria會議對磁層亞暴及其過程給出了基本一致的定義“磁層亞暴是起始於地球夜晚面的一種瞬態過程,在此過程中來自太陽風-磁層耦合的很大一部分能量被釋放並儲存在極區電離層和磁層中”。“這一過程的開始以子夜區極光輝度的突增為標誌,在其整個過程中極光電集流最初增加,然後恢復到亞暴前的基態水平。在亞暴期間西向電集流可能多次增強,每一次增強都伴隨著Pi2脈動的爆發和西向涌浪的出現。亞暴發展時子夜分立極光區向極區和西擴展,極光活動到達最高緯度以後再逐漸恢復到暴前位置。從第一次Pi2爆發到極光區到達最高緯度的這段時間成為膨脹相。子夜區極光恢復到較低緯度這段時間叫做恢復相。”

1982年,Munster會議進一步對磁層亞暴過程取得了大致一致的看法:磁層亞暴“由兩種性質不同的基本過程組成。這兩種過程分別為直接驅動過程(太陽風能量直接傳輸到極區電離層和環電流中)和裝-卸載過程(能量先儲存於磁尾一段時間,然後在膨脹相時脈衝式地釋放到極區電離層和環電流去)”

其中裝-卸載劃分為增長相,膨脹相和恢復相三個階段。[1]

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