| 单词 | 行星的磁场和磁层 |
| 释义 | 【行星的磁场和磁层】 拼译：planetary magnetic field and magnetosphere 地球有其自己的磁场，称为地球的固有磁场。早在战国初期，中国就发明了指南针，利用地球磁场的特性来确定方向。地磁场可近似地看成是偶极场，有南、北两个地磁极，南地磁极位于南纬79°东经110°；北地磁极位于北纬79°西经69°。地球磁轴与自转轴有11°多的交角。在地面上，赤道附近的磁场较弱，磁场强度变化在29～40μT之间，平均为31μT。磁极附近磁场较强：北地磁极处为61μT；南地磁极处为68μT。目前，地磁场磁距为7．9×1021T·cm3，它每年减少4×1018T·em3。 地磁场强度向量B的水平分量｜H｜、磁偏角D(水平分量H与正比方向的夹角)、磁倾角I(H与B的夹角)合称地磁三要素。500多年前，个别地磁台就开始对磁偏角D和磁倾角I进行测量。1635年，Gellibrand发现磁偏角D随时间有长期变化。后来，发现地磁三要素均有长期变化。人们把地球表面上磁场水平分量H为0之处称为磁极或磁倾极，南北两磁极的位置在缓慢地移动。古地磁研究表明，在漫长的地质年代中地球磁场的极性已经历了多次来回变更。太阳系九大行星中，水星、木星、土星、天王星和海王星也具有固定磁场。1974～1975年，水手10号飞船曾3次对水星磁场作过探测，发现水星有较弱的固有磁场。它大致也是偶极场，磁矩为5．2×1018T·cm3，是地球的1／1600。在水星表面上，赤道处磁场强度为0．4μT，两极为0．7μT，水星磁轴与它的自转轴有12°之交角。木星的磁场最初是由射电天文学家们得出的。木星有较强的射电辐射，它主要分布于10m区和微波(分米波区)，在这两个波段上，辐射是非热偏振的。10m区与木卫一的位置有关，而微波辐射则是连续的，有周期性的变化。由它的强度和偏振测量，表明它是木星辐射带中相对论性带电粒子的回旋辐射或同步加速辐射，这就说明木星有磁场。Carr等人最先推算出木星的表面上大约有0．7mT的磁场。后来，Warwick从木星的10m辐射得到木星的磁矩为0．4T·cm3，木星赤道面上的磁场强度约为10Gs，木星磁轴与它的自转轴约有10°倾斜。先锋10号和11号飞船1974年飞经木星附近时，对它的磁场进行了测量。在远离木星处，木星磁场呈偶极场，磁场极性正好和地球相反。木星磁轴与自转轴之夹角为10°．8；在靠近木星处，磁场结构比较复杂，在赤道面上，磁场强度为0．41mT，在两极约为0．8mT。木星磁矩为1．4×1032T·cm3，比地球大170亿倍。奇怪的是木星非热射电辐射所确定的木星自转周期和由木星内层大气所确定的木星自转周期不相同，这意味着木星的磁偶极子相对于行星本身有进动。先锋11号飞船飞经土星时，发现它也有磁场。测量结果表明，土星磁场是偶极场。磁矩为4．6×1024T·cm3，比地球大600倍。土星磁轴几乎与它的自转轴平行。夹角只有0°．7。磁轴中心与土星中心有一点偏离。在土星的赤道上，磁场强度为21μT。旅行者1号飞船飞经土星时，对先锋11号飞船的观测作了证实和修正。由它的观测证实土星磁场不完全是偶极场。在小于10个土星半径处，观测到的磁场强度比偶极场的强度要小；大于10个土星半径处，观测到的磁场强度比偶极场的强度要大。1986年1月，旅行者2号飞船飞经天王星，发现它也有磁场。天王星磁场的磁轴与它的自轴转夹角为55°，磁轴中心与天王星中心偏离。1989年8月，旅行者2号飞船飞经海王星，发现它也有磁场。像天王星一样，海王星之磁轴与它的自转轴交角也较大，大于50°；磁轴中心也偏离行星中心。如何解释这2个行星的这种磁场异常，是一个很有趣的问题。1962年水手2号、1967年金星4号和水手5号、1974年水手10号、1975和1976年的金星9号和10号等飞船，相继对金星进行了考察，均未发现金星有磁场。Russell认为，金星的固有磁场很弱，只有60nT。更多的人认为，金星根本就没有固有磁场，是太阳风把行星际磁场吹到金星附近，而形成的几nT的微弱磁场。根据1972年火星2号和3号以及1974年火星5号宇宙飞船飞经火星时所得到的观测资料，Dolginov等人认为火星有固有磁场。它基本上也是偶极场，其极性正好与地球相反。磁轴与自转轴之夹角为15°。火星固有磁场的磁矩为2．5×1018T·cm3约为地球的1／3000。在火星赤道上磁场强度为60nT。Russell重新分析了火星3号和5号飞船的观测资料，认为火星没有固有磁场，所观测到的微弱磁场是太阳风吹达到火星表面的行星际磁场。这样，火星上是否有固有磁场至今尚是一个谜。冥王星离地球太远，至今尚未有飞船去考察过，不知它是否有磁场。太阳系中至少有6个大行星具有固有磁场，是什么物理机制来维持住行星的磁场呢?行星是一个永久大磁铁的概念是无法被人接受的。行星内部结构研究表明，行星的核心具有很高的温度，超过那儿的居里点温度，因而，行星磁性无法长期保持。行星由于自转而具有磁性概念似乎没有任何说服力。现在被人们普遍接受的是发电机理论，认为行星固有磁场是行星核或幔中导电流体的运动所造成的。行星中心放射性物质加热，造成其液体的对流运动，构成一个自激发电机。导电流体穿过磁力线运动时形成感生电流，靠这个感生电流来维持行星磁场不衰减。行星发电机理论有许多具体模式，至今尚没有一种模式被人们所普遍接受。当一个行星具有固有磁场时，其附近的空间受到行星磁场的强烈影响。行星固有磁场同太阳风相互作用，挡住太阳风前进的路，在太阳风场中“挖开”一个腔。行星际磁场的磁力线被禁锢在这个腔内，而太阳风则不能进入腔中，这个腔区称为行星磁层。由于太阳风与行星磁场的相互作用比较复杂：一方面，小部分太阳风等离子体能渗透进磁层；另一方面，行星磁场也不全禁锢在腔内，有小部分磁力线和太阳风的磁力线联接起来。因此，上面关于磁层的定义只能说是一种近似的定义，要精确定义行星磁层是比较困难的。一般来说，在向日面，行星磁层的边界比较清晰，此处行星磁场的磁力线与外面太阳风吹过来的行星际磁场的磁力线之间有明显的界线，其界面位于太阳风的动压与行星磁场的磁压相等之处；在背日面，磁层的边界模糊不清。行星磁场的磁力线与太阳风中的行星际磁场磁力线连在一起，形成结构复杂的磁尾。磁层的边界称为磁层顶(简称磁顶)。向日面磁顶大体上呈半椭球面形，椭球面的短轴指向太阳。背日面，长长的磁尾延伸到很远很远。向日面磁顶的前面有一弓形激波面，它是超过Alfven速度的太阳风等离子体流与行星磁层相互作用而形成的。弓形激波面与磁顶之间的区域叫磁鞘。在行星磁层中等离子体的行为主要受行星固有磁场约束。行星磁层中等离子体有几个聚集的区域，分别称它们为极尖区、等离子体层、辐射带、等离子体片、尾瓣和等离子体幔。等离子体幔正好就位于磁顶的内侧。磁尾赤道附近磁场为0处称中性片，它将磁尾分成南北两个尾瓣，两个尾瓣磁场方向正好相反。中性片的两侧是等离子体片。行星磁层不但有如此复杂的结构，每当太阳活动激烈时，它还要经受剧烈的扰动。【参考文献】：1 George W．Annual Review of Earth and Planetary Sciences，1983，112 中国空间科学学会编．空间科学词典．北京：科学出版社，19873 陈道汉，刘麟仲著．现代行星物理学，上海：上海科学技术出版社，1988．243～338(中国科学院紫金山天文台刘麟仲副研究员撰) |
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