第六章 地球磁層

磁層，在天體周圍由空間等離子體的包裹，並受天體磁場控制的區域。許多天體都具有磁場，絕大部分宇宙物質以等離子體形式存在，所以磁層在宇宙中是很普遍的。磁層的概念是英國的S。查普曼於20世紀30年代首先提出的。磁層（magnetosphere）一詞最早是戈爾德（T。Gold）在1959年研究太陽風與地球磁場相互作用時使用的，相對地球的氣層或水層，當時專指地球磁層，隨著對其他天體磁層的探測和研究逐漸增多，磁層一詞現在泛指所有天體的磁外包裹空間。

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地球磁層概論

20世紀50～60年代，人造地球衛星對地球高空帶電粒子區域的探測，證實了地球磁層的存在。人造地球衛星的觀測表明，在磁層內朝著太陽的一面，磁場的大小和方向是相對穩定的。在磁鞘外（約13～14個地球半徑以外），存在一個傾斜於黃道面的磁場，場強一般為4～7納特。它主要來源於太陽產生的行星際磁場。

磁層由磁層頂、等離子體幔、磁尾、中性片、等離子體層 、等離子體片等組成。在磁層頂外還存在磁鞘和弓激波。地球磁層始於距地面約1000千米處，向外延伸至磁層頂。磁層頂為磁層的外邊界，向陽側呈現一個橢球面，地球位於它的一個焦點上；背陽側是略扁向外略張開的圓筒形，該圓筒所圍成的空腔稱磁尾。

在平靜的太陽風中，磁層頂在向陽側距地心約為10個地球半徑，在兩極約為13～14個地球半徑，在背陽側最遠處可達1000個地球半 徑。太陽激烈擾動時，導致太陽風密度和速度大為增大，磁層也隨之大大被壓縮，這時向陽側的磁層頂可能離地心只有6～7個地球半徑。即使在太陽寧靜時，地球軌道附近的太陽風平均速度也高達300～400千米/秒，當受到磁層阻擋時，在磁層的上游方向約幾個地球半徑處，形成一個相對磁層頂靜止的弓激波與磁層頂之間的空間，形成磁鞘，其厚度為3～4個地球半徑（見圖）。

在磁尾中存在著一個特殊的介面，在介面內邊，磁力線突然改變方向，此介面稱中性片（電流片）。在向陽側正子午面上，有兩個點叫中性點，南北半球各一個，位於緯度約60°處。在中性點附近，由於磁場比較弱，磁鞘內的帶電粒子可一直深入到地球附近，形成漏斗狀的極尖區或稱極隙區。地球磁層內充滿著等離子體，比較密集的區域有中性片兩側的等離子體片、磁層頂內側的等離子體幔、等離子體層以及由高能帶電粒子組成的輻射帶。太陽有時噴發密度和速度都比太陽寧靜時大得多的等離子體流，它引起地球磁層劇烈的擾動，即為磁層暴。這時磁層被壓縮，地磁場也隨之發生劇烈的變化，即發生磁暴或磁層亞暴。磁擾時導致電離層電子密度異常，稱電離層暴，此時短波無波無線電通訊將受到嚴重干擾。與地球磁層類似，在行星周圍也會形成磁層，稱行星磁層，如木星磁層、土星磁層、水星磁層、火星磁層等。行星磁層的形成和結構形態，主要取決於行星磁場的強弱、分佈及其與太陽風的相互作用形態。

地球地面上1 000千米到大氣頂界之間的稀薄電離氣體層。層內電子和離子的運動受地球磁場支配。地球磁場，簡言之是偶極型磁場，近似於把一個磁鐵棒放到地球中心，使它的Ｎ極大體上對著南極而產生的磁場狀態。當然，地球中心並沒有磁鐵棒。

地球磁場不是孤立的，它受到外界擾動的影響，宇宙飛船就已經探測到太陽風的存在。太陽風是從太陽日冕層向行星際空間拋射出的高溫高速低密度的粒子流，主要成分是電離氫和電離氦的原子核。

在太陽風的壓縮下，地球磁力線向相對遠離太陽一面的空間延伸得很遠，形成一條長長的尾巴，稱為磁尾。在磁赤道附近，有一個特殊的介面，在介面兩邊，磁力線突然改變方向，此介面稱為中性片。中性片上的磁場強度微乎其微，厚度大約有1000千米。中性片將磁尾部分成兩部分：北面的磁力線向著地球，南面的磁力線離開地球。

1967年發現，在中性片兩側約10個地球半徑的範圍裡，充滿了密度較大的等離子體，這一區域稱作等離子體片。當太陽活動劇烈時，等離子片中的高能粒子增多。由於太陽風以高速接近地球磁場的邊緣，便形成了一個無碰撞的地球弓形激波的波陣面。波陣面與磁層頂之間的過渡區叫做磁鞘，厚度為3～4個地球半徑。

地球磁層是一個頗為複雜的系統，其中的物理機制有待於深入研究。磁層這一概念近來已從地球擴充套件到其他行星。甚至有人認為中子星和活動星系核也具有磁層特徵。

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太空天氣

太陽是距我們最近的一顆恆星，它的光芒惠澤了地球上的萬事萬物。除了陽光以外，太陽還每時每刻往外噴射著高速帶電粒子流，人們形象地稱之為“太陽風”。它有時十分強勁，產生名副其實的“太陽風暴”。當太陽風暴襲擊地球時，幸虧有地球磁場作為天然盾牌，我們才得以安然無恙。

空間天氣是指發生在太陽表面、行星際直到地球空間環境（磁層、電離層、熱層和中高層大氣）中，可影響天基和地基的技術系統正常執行，甚至危及人類的活動、健康和生命。這種空間災害性天氣事件，無論是在太陽活動高年還是低年，都經常發生。只是近年來隨著社會的進步，人們對航天、通訊、導航、國家安全等高科技領域的需求日益迫切，空間災害所帶來的嚴重威脅和巨大損失，越來越引起人們的重視了。從現在的認識看，影響地球和人類生存發展的環境包括4個層次：固體地球、海洋、大氣和空間，它們相互密切聯絡，共同構成地球環境的完整的科學體系。

空間天氣研究涉及從太陽活動驅動源的巨大能量和物質的突然釋放，透過日冕和行星際空間的傳輸，在地球空間系統中的耗散、傳輸和轉換，最終引起地球空間環境的災變。它是一個涉及太陽物理、行星際物理、磁層物理、電離層物理、中高層大氣物理、地球物理、等離子體物理以及非線性科學、資訊科學、材料科學和計算機科學等多學科交叉的重大前沿科學領域；它跨越由物理性質不同的空間區域組成的日地耦合系統，是地面無法全模擬的特殊實驗室，是多種間斷面、多種非線性和激變過程共存的系統，充滿著自然科學經典理論無法解決的新問題，是有待探索的重大基礎科學前沿。

人們發現了日冕物質拋射和耀斑的一系列新的特性和規律，發現了這些太陽活動在日地空間傳播並影響地球空間天氣的一些規律，並透過數值模擬進行了詳細的研究，提出了相應的理論模型。根據觀測和理論模型，初步建立了空間天氣的預報方法和預報體系。空間天氣學迎來了朝氣蓬勃的發展時期。

空間天氣學的基本科學目標，是把太陽大氣、行星際和地球的磁層、電離層和中高層大氣作為一個有機系統，按空間災害性天氣事件過程的時序因果鏈關係配置空間、地面的監測體系，瞭解空間災害性天氣過程的變化規律。當前開展的主要研究涉及：太陽活動過程和物質輸出結構；太陽風暴的形成、演化以及和地球的相互作用；地球空間系統的空間災害性天氣過程的因果鏈模式等方面。這些都是空間科學中面臨巨大挑戰的難題。

一、太陽風

太陽風是一種連續存在，來自太陽並以200～800千米/秒的速度運動的等離子體流。這種物質雖然與地球上的空氣不同，不是由氣體的分子組成，而是由更簡單的比原子還小一個層次的基本粒子——質子和電子等組成，但它們流動時所產生的效應與空氣流動十分相似，所以稱它為太陽風。

太陽風的密度與地球上的風的密度相比，是非常非常稀薄而微不足道的，一般情況下，在地球附近的行星際空間中，每立方厘米有幾個到幾十個粒子。而地球上風的密度則為每立方厘米有2。7X1019個分子。太陽風雖然十分稀薄，但它刮起來的猛烈勁，卻遠遠勝過地球上的風。在地球上，12級颱風的風速是32。5米/秒以上，而太陽風的風速，在地球附近卻經常保持在350～450千米/秒，是地球風速的上萬倍，最猛烈時可達800千米/秒以上。太陽風從太陽大氣最外層的日冕，向空間持續拋射出來的物質粒子流。這種粒子流是從冕洞中噴射出來的，其主要成分是氫粒子和氦粒子。太陽風有兩種：一種持續不斷地輻射出來，速度較小，粒子含量也較少，被稱為“持續太陽風”；另一種是在太陽活動時輻射出來，速度較大，粒子含量也較多，這種太陽風被稱為“擾動太陽風”。

我們把太陽分為六層，由內往外依次命名為：日核，輻射區，對流層，光球，色球，日冕。日核的半徑佔太陽半徑的四分之一左右，它集中了太陽質量的大部分，並且是太陽百分之九十九以上的能量的發生地。光球是我們平常所見的明亮的太陽圓面，太陽的可見光全部是由光球面發出的。而日冕位於太陽的最外層，屬於太陽的外層大氣。太陽風就是在這裡形成併發射出去的。

太陽風的組成和太陽的日冕組成完全相同。73％的是氫，25％的是氦，還有其他一些痕量雜質。目前還沒有精確的測量結果。在地球附近，太陽風速為200～889千米/秒。平均值為350千米/秒。大約800千米/秒的物質被以太陽風的形式從太陽逃逸。這同太陽光線的等價質量相比是很小的。如果把太陽光線的能量換算成質量，大約每秒鐘太陽損失4。5Tg（4。5×109kg）的質量。因為太陽風是等離子體，所以太陽磁場被它承載。

太陽風的發現是20世紀空間探測的重要發現之一。經過近40多年的研究，對太陽風的物理性質有了基本瞭解，但是至今人們仍然不清楚太陽風是怎樣起源和怎樣加速的。太陽風是怎樣得到等離子體的供應及能量的供應的問題是空間物理學領域中經長期研究仍懸而未決的一大基本課題。當太陽風攜帶的質子衝擊到上層大氣層，就會分解臭氧層中的氮氣分子，形成氮氧化物。這些氮氧化物可以存在幾周甚至幾個月之久，因而足以破壞高度為15～50千米的上層同溫層中9％的臭氧。因而，太陽風暴對臭氧層的總體破壞還並不是特別嚴重。當然，太陽風也不會總給人類帶來災禍。許多科學家或者科幻作家都在設想，可以利用太陽風來提供能量。

簡單的說，太陽風指的是從太陽大氣最外層的日冕向空間持續拋射出來的物質粒子流。太陽風的得名還和彗星有關。當人們透過先進的觀測手段發現彗星離太陽越近，彗發就越明顯，彗尾就越長，而且彗尾的方向總是背對著太陽的時候，就開始猜測，也許太陽會放射出一種類似於風的東西，對彗星產生影響。此後的1958年，美國人造衛星上的粒子探測器，探測到了太陽上有微粒流從日冕的冕洞中發出，因此美國科學家帕克將其形象的命名為太陽風。

二、空間天氣與科技進步、社會發展

空間天氣關係社會發展，是20世紀90年代人們才認識到的新事實。早在1849年，英國人Barlow就注意到極光出現時電報受干擾的現象。第二次世界大戰期間，有關政府為發展無線電通訊開始資助類似的空間天氣預報中心，但作為一種科學的認識提到議事日程上，還是1989年3月特大空間災害性天氣事件之後的事。如前所述，那次事件造成了十分廣泛的影響，第一次使人類認識到空間災害性天氣會給人類的航天、通訊、導航、電網、宇航員健康與空間安全等高科技領域的活動帶來巨大損失和嚴重威脅。

我們看到，空間天氣（學）關係社會發展、科技進步和空間安全已成為人們共識，它是為人類進入空間時代、發展空間技術，這是其成為當今世界科技熱點之一而蓬勃發展的根本原因。

自1957年人類進入空間時代開始，已發射大約6000個航天器，目前在軌執行的近1000個，未來10年也將有近千顆衛星升空。人類社會發展越來越依賴空間技術系統，空間衛星技術將變成大多數國家都用得起、都會用、都要用的技術。由於空間技術系統的脆弱性、昂貴性、長效性、重要性和高風險性，如何減輕或避免空間天氣對這些龐大的衛星系統和相關技術系統帶來的重大損傷，保障它們的安全、良好地執行和效能的最大發揮，成為一種緊迫需求。

十多年間，由於眾多國家和國際組織把空間天氣領域作為一種國家行為和國際行為付諸實施，使之迅速成為國際科技活動的熱點之一。在這種態勢下，空間物理進入空間天氣學發展新階段，日地空間物理科學與空間技術應用走向結合。

空間天氣的研究、建模和預報有了長足進步。特別是在基本物理過程，如太陽風的加熱、加速、磁重聯、粒子加速等研究方面有了重大進展；有關太陽、行星際、磁層、電離層和中高層大氣近20種重要空間天氣建模研究取得進展，並向業務化需求過渡。

三、空間科學

主要利用空間飛行器來研究發生在宇宙空間的物理、天文、化學和生命活動等自然現象及其規律的科學。空間科學與天文學、地球物理學等學科有著悠久的歷史淵源，但作為一門獨立的綜合性科學領域，是在空間技術有了巨大的進展、人類開創了空間時代的條件下，才形成和發展起來的。

自古以來，人類就嚮往著宇宙空間。在漫長的歲月裡，先前學者傾注了很大的精力去觀測和研究發生在地球周圍空間（近地空間）、太陽系空間及更遙遠的宇宙空間的自然現象。如早期對地磁、天體執行、極光、彗尾、太陽黑子、太陽耀斑和超新星爆發的觀察等，對隕石進行化學分析，對宇宙物質的某些化學組成的光譜測定等，這些研究積累了人類認識宇宙的寶貴知識。並對地外生物和地外文明也開始探索。這些都為空間科學奠定了基礎。

50年代以後，在大量地面臺站、氣球和火箭觀測及長期理論研究的基礎上，迫切要求各相關學科之間密切配合，要求全球性的協同觀測以及發展新的探測手段。1956年，在國際地球物理年大會上，美國和前蘇聯宣佈將要發射人造地球衛星以增強對地球物理學的研究。1957年，前蘇聯首次發射了人造地球衛星，這標誌著人類進入了空間時代。從此，許多國家和團體發射了大量的空間飛行器並進行了廣泛的多學科的研究，促使空間科學迅速發展。發現了地球輻射帶、環電流，證實了太陽風、磁層的存在。

空間科學按照研究物件及研究手段進行學科分類，主要有：空間物理學、空間天文學、空間化學、空間地質學和空間生命科學等學科。

空間物理學主要研究發生在日球空間範圍內的物理現象的學科。它的研究物件，包括太陽，行星際空間，地球和行星的大氣層、電離層、磁層，以及它們之間的相互作用和因果關係。

日地物理學（即日地關係）是空間物理學的主要部分，是太陽物理學和地球物理學之間的邊緣學科。它研究太陽能量的產生、輻射（包括電磁輻射和帶電粒子輻射，尤其著重於變化部分）、在日地空間的傳播和對地球所產生的影響等整個過程。

日地物理學的發展，要求把整個日地系統作為一個有機的整體，進行定量的、綜合性的研究。空間物理學還包括太陽—行星系統的研究。經過比較研究，可更好地理解日地系統的物理過程，從而取得對作為一個整體的太陽系的深刻理解。如地球磁層的概念，同水星、木星、土星的磁層比較；地球的大氣結構與金星、火星、木星的大氣比較；地球的電離層與金星、木星、土星的電離層比較等。

空間天文學的誕生，使天文學又出現了一次大的飛躍。所研究的星空迥異於地面光學和射電天文觀測到的星空。可以說，現代天文學的成就，很多都與空間天文學的發展有關。它改變了對宇宙的傳統觀念，對高能天體物理過程、恆星和恆星系的早期和晚期演化、星際物質等的瞭解，加深了對宇宙的認識。

空間化學的研究發生在空間的化學過程、宇宙物質的化學組成及其演化的一門學科，又稱宇宙化學。在地球大氣層和行星大氣層中，有著複雜的化學過程，包括光化學反應過程。

空間地質學是研究月球、行星及其衛星等天體的物質成分、結構，以及形成和演化歷史的一門學科。月球探測器系列和“阿波羅”飛船對月球的土壤、岩石、礦物等進行了綜合研究，編制出了月球地質圖和構造圖。月球是人類在地球以外研究得最充分的天體。其次就是對金星、火星的探測，但僅限於對它們的表面的瞭解，如地形、山脈、裂谷、火山、峽谷和土壤分析等。空間地質學還是一門年輕的學科。

空間生命科學是研究在宇宙空間的生命現象和探索地外生命、地外文明的一門科學。在空間時代，人和生物在宇宙空間的活動成了現實。但是，生命在宇宙空間長期生存，就有著需要研究的科學問題。

在科學方面，空間科學的發展將使人類對地球周圍環境及其變化規律和機制有更加深入和全面的瞭解，從而使對日地物理現象能作更加可靠的預測；同時，將對天體物理現象、恆星和宇宙的演化、元素的起源、生命的起源等最基本的科學問題，得到啟發，加深認識，為下一次科學上的飛躍做出貢獻。

科學技術的進一步發展將使以上這一規模巨大的課題逐步展開。在空間或月球上，建立一個長期性的、能容納若干人的基地，將來也不是不可能實現的。空間的開發和利用向人類展示了巨大的前景。

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地球磁層空間

由地磁場和行星際太陽風相互作用形成包附著地球的地球磁層空間。任何太陽活動都會使磁層的尺度和性質發生變化，特別是發生大的爆發時，可以引起非常大的磁層空間暴。但是，這些空間環境的變化規律對人類來說仍然存在許多未解之謎。

在高空中受到太陽風的影響，地磁場的磁力線都向後彎曲，地磁場朝太陽方向的最前沿形成一個包層，並向著背太陽方向延伸。這個被太陽風包裹的、彗星狀的地磁場區域就是地球磁層空間。

一、弓形激波

行星際空間和星際空間中充滿著完全電離的稀薄等離子體，粒子平均自由程非常大。這些無碰撞的等離子體通常以超聲速運動，形成太陽風和星風。當太陽風和星風遇到存在磁場的行星和恆星的阻擋時，在介面處將形成各種間斷面，如地球的磁頂層和弓激波、太陽系的日球頂層等。弓形激波是無碰撞的激波，上游是未擾動的超聲速太陽風，而下游的等離子體以亞聲速繞過地球的磁頂層。無碰撞激波是等離子體物理、空間物理和天體物理學中的重要基礎性課題，對它的深入研究有助於瞭解激波本身的產生、演化、耗散機制以及各種行星際結構與激波的相互作用問題。

實際上弓形激波厚度僅為幾百千米。當我們只關心激波位形時，或只關心激波前和激波後的物理變化時，把激波作為一個沒有厚度的介面，我們放眼的尺度比激波厚度大得多，就可以這樣做。但遲早我們要注意激波內部，即激波結構，這樣就深入到激波形成的物理機制。研究地球弓形激波的形成把我們引導到一個極豐富的物理世界中去。

地球弓形激波與普通氣體激波不同，它的耗散效應不是由粒子碰撞產生的，它的厚度也不是粒子平均自由程的量級。地球附近太陽風等離子體平均自由程大於103公里，激波厚度遠小於粒子平均自由程。在即撥厚度範圍粒子沒有碰撞，這激波稱為無碰撞激波。那麼是什麼樣的耗散機制在無碰撞激波中限制了激波面無限變陡呢？無碰撞激波理論需在等離子體中考慮波和粒子的集體相互作用。在弓形激波過渡區由於無碰撞，等離子體不是熱平衡態，激發等離子體波併發育成湍流，透過集體相互作用粒子把能量傳給波動，波動又把能量傳給另一種粒子，這一過程也等效於碰撞，即把能量和動量由一種粒子轉移給另一種粒子。波和粒子集體相互作用，給出一種等效的耗散作用。

地球弓形激波在地球參考系看它是不動的，但在太陽風參考系座標中它是傳播的，太陽風等離子體穿過激波後到了激波下游，它是磁層頂和激波之間的區域，這個區域的特點是磁場和等離子體都有很強的擾動，既表現出高馬赫數激波下游的流體特徵。

二、磁層頂邊界

磁層的外邊界稱為磁層頂（magnetopause），磁層頂也就是地球空間的外邊界，在磁層之外的空間稱為行星際空間。地球磁層的空間範圍：向陽側磁層頂的平均位置，大約離地心11個地球半徑。

現代科學揭示，太陽風是從太陽表面的日冕洞口源源噴射出的熾熱等離子體，其主要成分是電子和質子，其溫度在106℃以上。根據250年來的觀察，以11年為週期的太陽風暴從未出現偏差。最近一次太陽風暴發生在2001年，科學家當時觀察到一個體積與14個地球相當的等離子體雲團，以300萬～500萬千米/小時的速度，從太陽表面噴射出來，掃過地球，席捲了整個太陽系空間。

地球磁層是一個障礙物，太陽風必須沿著磁層頂繞過它。如果超聲速太陽風直接入射到磁層頂，太陽風在磁層頂引起的擾動向太陽風流來的上游以聲速傳播，實際上擾動訊號卻被太陽風攜帶傳向下遊，這是氣體動力學早就有的經驗。超聲速的氣流中，聲音訊號只沿流速方向一個小角度內傳播，上游是聽不到聲音的。這樣迎面吹來的太陽風直到撞到磁層頂表面都是均勻未受擾動的。但是太陽風既然要繞過磁層頂，在磁層頂任意點，太陽風發向速度必須為零，這就與前面計算磁層頂所需的太陽風動壓力矛盾。這一矛盾預示著在磁層頂前面存在著激波，被稱為弓形激波或船首激波。弓形激波的存在使這一矛盾得到解決。

三、磁層等離子體物理

研究的主要內容為磁層能量傳輸過程和磁層空間暴機理與模型。擾動太陽風每秒鐘向磁層輸入 5×1012 焦耳的能量，引起地球磁層劇烈擾動，產生磁暴、磁層亞暴、磁層高能粒子暴。磁層能量傳輸與磁層空間暴一直是空間物理學研究的前沿核心領域。

太陽風壓縮地球磁場，把地磁場限制在一個空腔範圍內。當太陽風流過磁層頂時，一部分能量、動量和質量會傳輸到磁層裡來，從而引起磁層內部等離子體的大尺度對流運動，與運動相伴隨的是大尺度磁層電場和電流。這些大尺度結構和過程表現了磁層的主要特徵，決定著磁層粒子運動的軌跡和等離子體波傳播的特性，磁層小尺度結構和過程也是在這種大尺度背景中發生的。

以太陽風－磁層（包括地磁）－電離層耦合過程為主線，研究太陽風與磁層相互作用，磁層空間暴的產生機制，暴時磁層－電離層耦合過程，太陽風/磁層-地磁鏈的聯絡過程。擬解決的關鍵問題是：太陽風－磁層－電離層耦合過程中多時空尺度物理過程，包括：太陽風透過磁層邊界層的能量輸運過程；磁暴期間環電流粒子的成分、來源和加速問題；暴時磁層－電離層耦合動態過程；以及如何從地面觀測中區分有太陽風和磁層擾動激發地磁脈動。

太陽風－磁層相互作用：重點研究不同行星際條件下磁層邊界層中小尺度結構；不同行星際條件下磁層的能量傳輸區域和傳輸途徑及其對磁層電場、磁層對流和磁層—電離層電流體系的影響；

磁層空間暴的產生機制：重點研究磁層亞暴產生過程和觸發位置；研究暴時等離子體片能量粒子成分、通量、能譜等特徵，以及它們在磁暴和亞暴過程中的作用；研究磁層相對論電子和高速流的產生機制，及與亞暴和磁暴的關係；

磁層－電離層耦合過程：研究磁暴時環電流不同成分的強能粒子之間的關係，探討電離層在磁暴和亞暴形成與演化過程中的作用；暴時磁層－電離層電流體系，及相應地磁場變化過程；

太陽風-磁層-地磁鏈的聯絡過程：太陽風ULF波動的磁層進入和傳播過程，磁層高速流產生的Pi2特性，近地太陽風擾動與地磁活動的聯絡。

地球磁層亞暴過程中，大量的帶電粒子像疾風驟雨一樣從地球磁尾（即背離太陽一側）向地球衝過來。這些電子能夠導致衛星充電，嚴重時可以將衛星充電到幾萬伏高壓，最後導致衛星放電被燒燬。

地球磁暴過程中，圍繞地球形成了一個巨大的電流環，其強度可以達到幾百萬安培。這個巨大的電流透過地磁場的劇烈變化可以在地面上感應出巨大電流，將地面上輸油管道，供電線路燒燬。

所以地球空間並不是靜止的，它是太陽活動的影響下經常處於劇烈的擾動狀態中，稱為地球空間暴。其中磁層空間暴（包括磁層亞暴，磁暴和磁層粒子暴等）是地球空間暴的最重要部分，也是一些其它地球空間暴的產生源頭。

四、磁層頂磁場湮滅和重聯

磁層頂是太陽風壓縮地磁場形成的地磁空腔邊界，是作為磁場切向間斷面計算出來的，一側是地磁場而無等離子體。實際太陽風攜帶著行星際磁場，撞擊到地磁場上，於是立刻提出問題：兩個磁場在邊界上如何配置？為了說明磁場在有些情形會互相連結起來，併產生重大的影響，首先討論兩磁場真空迭加情況：一個是偶極子場（地磁場）一個是均勻場（行星際磁場）兩者迭加，結果是當行星際磁場北向時，磁層磁力線時閉合的，有一個邊界將兩者分開。而當行星際磁場南向時，磁層磁力線是開放的並在磁場為零的地方形成兩個χ型中性點。這時再考慮太陽風等離子體流動，容易想象，太陽風掃過，地球向日面磁場被壓縮，而背日面的磁力線就像被風吹歪的一縷炊煙，拖出長長的尾巴——地磁尾，行星際磁場恰恰在χ型中性點處與地磁場合並。

磁場重聯究竟在哪一點上發生並不重要，它可能是隨機的，普遍相信與等離子體不穩定性有關係。觀測上希望測量到等離子射流以證實重聯的發生，但是由於測量上的困難，到目前尚沒有直接證據說明行星際磁場與地球磁場在磁層頂的重聯。

五、地球磁場結構與磁層發電機

地球磁層空腔內有許多複雜的結構在後面介紹，它主要磁場形態的變化需要先了解一些。在地球表面上我們絲毫感覺不到太陽風作用磁層頂引起磁場有什麼變化，因為太陽風與磁層頂相互作用引起的電流，產生磁場對地面影響是極其微弱的。探測表明在3～6RC範圍內，地磁場近似位偶極子磁場，6RC以外才明顯的偏離偶極子磁場。磁場主要的變形來自於磁層電流系，磁層頂是一個間斷面，磁場在這裡躍變，因而磁層頂是一個電流層。太陽風把由地球極蓋區發出的磁力線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個電流片，一般也稱中性片。因為南北半球磁力線在這上面方向相反，形成一個磁中性片。磁層內磁場分佈主要就是磁層頂電流和磁尾中性片電流給出。磁層頂電流產生磁場抵消了偶極子場伸向磁層頂外面的部分，而增加了磁層內部的場。於是理論家由一個巧妙的辦法算出磁層場，就是用映象偶極子加上磁尾電流片的模式。

但是直到20世紀中葉，並不知道就在我們的頭頂上存在這巨大的無與倫比的天然發電機－太陽風－磁層頂發電機。太陽風攜帶著行星際磁場，在地球磁層頂與地磁場連線，在地球座標系看，我們看到太陽風等離子體垂直力線運動完全類似磁流體發電機的示意圖，在洛侖茲力作用下正電荷向磁尾磁層頂黎明一側積累；負電荷集聚黃昏一側，於是在磁層頂黎明和黃昏兩側構成電路的正負電極。這個發電機電動勢驅動電流主要有兩個迴路。一個電流回路是直接越過磁尾，透過磁尾中性片上下兩側等離子體片放電，在磁尾磁層頂形成兩個半圓筒形的迴路，另一回路是越尾電流一部分沿地磁力線流向地球極區電離層，再由另一側沿著磁力線流回。這一電流主要沿磁尾迴路流動，他產生的磁場就形成了地磁尾，只有小部分電流沿著磁力線流向極區電離層，供給極區電流層焦耳熱耗散。

地球磁層耦合的地磁場主電流耗費太陽風80％的能量，它產生的地磁場是主要是偶極磁場，這一點一直沒有得到重視。

六、地球輻射帶

地磁場俘獲的帶電粒子帶。輻射帶內的帶電粒子是太陽風、宇宙線與地球高層大氣相互作用而產生的高能粒子。它們在地磁場的作用下，沿磁力線作螺旋運動並不斷輻射出電磁波。1905年，斯托米根據極光觀測曾經預言過它的存在。1958年，範愛倫分析人造地球衛星探測器的資料，於1959年證實它的存在，因此也稱作範愛倫帶。地球輻射帶在地球磁層內，但只存在於一定磁緯地區的上空，而不存在於南北磁極和高磁緯地區的上空。

輻射帶分為：①內輻射帶：高度在1～2個地球半徑之間，範圍限於磁緯度±40°之間，東西半球不對稱。西半球起始高度比東半球低，最高處可在9，000千米處開始。兩半球都向赤道方面凸出。帶內含有能量為50兆電子伏的質子和能量大於30兆電子伏的電子。②外輻射帶：高度在3～4個地球半徑之間，起始高度為13，000～19，000千米，厚約6，000千米，範圍可延伸到磁緯度50°～60°。外帶比較稀薄。外帶內的帶電粒子的能量比內帶小。

被俘獲的帶電粒子實際上分佈於整個地磁場，所以輻射帶的界限並不分明，只是帶內帶電粒子的密度比其他區域大。輻射帶中，內帶的帶電粒子數是相對穩定的，外帶則變化較大，差別可達到100倍。一般來講，在內帶裡容易測到高能質子，在外帶裡容易測到高能電子。

輻射帶的範圍和形狀受地磁場的制約，也和太陽活動有關，在朝太陽的方向被太陽風所壓縮。輻射帶中的帶電粒子數也同地磁場和太陽活動的變化有關。

在太陽風中的帶電粒子到達地球磁場，被地磁場“設定”的陷阱“關”在裡面，不能出來，這就是磁阱。被陷入地球磁阱中的帶電粒子在地球周圍形成一個巨大區域，這個區域就是地球的輻射帶。

這兩條地球輻射帶相對於地球赤道對稱排列，且只存在於低磁緯地區上空。外輻射帶位於地面上空，其中帶電粒子能量比內輻射帶小。一般說來，在內輻射帶裡容易測得高能質子，在外輻射帶裡容易測得高能電子。地球輻射帶是地外空間探測的第一項重大發現。

七、磁重聯與磁尾

由於太陽風的作用，揹著太陽的一面的地磁場伸展到非常遙遠的地方，形成一個磁尾，其邊界近似圓柱形。磁尾的半徑為22個地球半徑。對其長度尚無一致的看法，有些探測資料認為，磁尾延伸到幾百個地球半徑之外。磁尾中的等離子體密度十分稀薄，每立方厘米不到0。1個離子。磁尾由一束逆向平行的磁力線組成，中間由一個磁強近似為零的中性片（即電流片）分開。中性片兩側約10個地球半徑的範圍內，充滿著密度較大的等離子體。這個區域稱為等離子體片，其等效溫度約為107K。等離子體的狀態在這裡變化較大，這與太陽風的性質有密切關係。太陽風輸送到地球磁層的能量主要儲存在這裡，磁層亞暴就是能量釋放轉移的一種形式。等離子體片向地球一端一直伸展到極光帶。

到此為止，我們描述的還只是一些基本的物理原理，這是科學家早已瞭解了幾十年的東西。當有人試圖確切解釋，這些磁場能量如何被轉變為熱能、加速粒子、拋射物質的時候，問題就出現了。一種可能的解釋只是簡單地出於對電路的考慮：任何電路都不能僅由它所攜帶的電流和驅動電荷流動的電壓來描述，它還與其中存在的電阻有關。

大多數人習慣於把電流想象成一維空間，比如一根電線中流動的電荷，但在太陽上，整個大氣層都是導電的，沒有什麼能阻止電荷在二維平面中流動。由於電阻消耗了平面中的電流，這些反向磁場中蘊含的能量就會隨著時間流逝而減少。

地球空間暴多尺度結構相互作用的全球過程，包括一些重要的基本物理問題，如無碰撞激波，無碰撞等離子邊界層，磁層重聯，等離子體反常輸運，粒子的加速和加熱等。這些物理問題，有些是在地面的實驗室中不易研究的。對這些基本物理問題的研究和解決，不但可推動空間物理的發展，而且還可推動相關學科的發展。

§4 相互作用原理

人們一直在認識物質及空間的組合體和其時間的延續。人們普遍認為，客觀未知或客觀存在的實物都是物質性的。在自然界中被看到和被感知到或不被感知到的一切存在或客觀實在都是物質的，它是客觀上一切實際存在的泛稱或統稱，如地球、岩石、動物或植物、山、水、大氣、光、天體、星系等等，都可以統稱為宇宙的物質。

當一部分物質對另一部分物質發生作用（直接接觸或透過場）時，必然要受到另一部分物質對它的反作用。自然界中物質之間的相互作用可歸納為：強相互作用、電磁物理學相互作用、弱相互作用和萬有引力相互作用。

基本相互作用（fundamental interaction），決定物質的結構和變化過程的基本的相互作用。近代物理確認各種物質之間的基本的相互作用可歸結為四種：引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用。

一、引力相互作用

所有具有質量的物體之間的相互作用，表現為吸引力，是一種長程力，力程為無窮。其規律是牛頓萬有引力定律，更為精確的理論是廣義相對論。在四種基本相互作用中最弱，遠小於強相互作用 、電磁相互作用和弱相互作用，在微觀現象的研究中通常可不予考慮，然而在天體物理研究中起決定性作用。

二、電磁相互作用

帶電物體或具有磁矩物體之間的相互作用，是一種長程力，力程為無窮。宏觀的摩擦力、彈性力以及各種化學作用實質上都是電磁相互作用的表現。其強度僅次於強相互作用，居四種基本相互作用的第二位。電磁作用研究得最清楚，其規律總結在麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式中，更為精確的理論是量子電動力學。量子電動力學是物理學的精確理論，按照量子電動力學，電磁相互作用是透過交換電磁場的量子（光子）而傳遞的，理論計算與實驗也符合得非常好。

三、弱相互作用

最早觀察到的原子核的β衰變是弱作用現象。弱作用僅在微觀尺度上起作用，其力程最短，其強度排在強相互作用和電磁相互作用之後居第三位。其對稱性較差，許多在強作用和電磁作用下的守恆定律都遭到破壞（見對稱性和守恆定律）。弱作用的理論是電弱統一理論，弱作用透過交換中間玻色子薄0而傳遞。弱作用引起的粒子衰變稱為弱衰變，弱衰變粒子的平均壽命大於10-13s。

四、強相互作用

最早認識到的質子、中子間的核力屬於強相互作用，是質子、中子結合成原子核的作用力，後來進一步認識到強子是由夸克組成的，強作用是夸克之間的相互作用力。強作用是一種短程力。其理論是量子色動力學，強作用是一種色相互作用，色荷透過交換8種膠子而相互作用，在能量不是非常高的情況下，強相互作用的媒介粒子是介子。

近代物理確認的各種物質之間基本的四種相互作用，只是物理學的全歸納，我們常見的只是電磁相互作用力。生物的活動力都來自電磁相互作用力，如果用量子電動力學描述生物活動，你就會發現你根本無從入手。雖然我們把電磁作用研究得最清楚，物質宏觀和微觀的轉換有時就會把你給搞糊塗。更何況我們還有許多未曾去探討過的事物，而認為我們用公式已經把它描述了，所以該類事物就都是已經知道的了。

以上所描述的四種相互作用關係，僅是表達了理論上的相互關係作用。實際上物質的相互作用應該是太廣泛了，特別是電磁相互作用，我們也許永遠也不會把其中的一些關係搞明白。但是，直觀的東西我們應該還是可以理解的。比如說，一團物質去作用另一團物質，我們都可以把它看作是一種能量的傳遞。

太陽風作用在地球磁層上，我們可以把它看成為，一種物質流作用在磁力線上。就和水流遇到了一塊石頭或者氣流當中的一隻彈性皮球很是相似。石頭或者皮球對太陽風有阻力，太陽風對石頭或者皮球就有作用力。

太陽風與地磁場相遇，在地球周圍形成的激波。與通常的流體激波波陣面不同，在它的上游有由波陣面內發出的高能粒子、電磁波、阿爾文波等向上遊傳播。這是由無碰撞等離子體激波波陣面內的等離子體湍動中的波-粒子相互作用和波-波相互作用產生的（見等離子體天體物理學）。在地球磁尾內靠近中性線附近，經常產生不穩定的磁合併，引起磁層亞暴。這種情況同磁力合併引起耀斑爆發的情形相似。由於太陽風的結構不穩定，弓形激波的結構也不斷地變化。波陣面的頂點、方向以及它與地心的距離都隨著太陽風的強弱、太陽風磁場的走向而不同。波陣面頂點與地心的距離大約在14個地球半徑左右，但若有異常的低馬赫數的太陽風，則可延伸到30個地球半徑。弓形激波波陣面的厚度主要決定於上游磁場走向與波陣面法向的夾角。若夾角大於50°，波陣面不厚；而當夾角小於50°，波陣面厚度就可以伸展到1個地球半徑。波陣面內部，在絕大多數情況下，屬於熱等離子體和高馬赫數的湍動波陣面。弓形激波波陣面的運動，主要與太陽風中切向間斷面的到來有密切關係。

§5 太陽風和磁層

太陽風是一種連續存在，來自太陽並以200～800km/s的速度運動的等離子體流。太陽風壓縮地球磁場，把地磁場限制在一個空腔範圍內，這就是磁層。當太陽風流過磁層頂時，一部分能量、動量或質量會傳輸到磁層裡來，從而引起磁層內部等離子體和磁場的大尺度對流運動，與運動相伴隨的是大尺度磁層電場和電流。這些大尺度結構和過程表現了磁層的主要特徵，決定著磁層粒子運動的軌跡和等離子體波傳播的特性，磁層小尺度結構和過程也是在這種大尺度背景中發生的。

太陽風是太陽噴出的高速等離子流，太陽風攜帶巨大能量是不容置疑的，當它作用在地球磁層上時，它主要的接觸範圍還是作用在磁層的磁力線上。離子流對磁力線的作用和反作用說明太陽風的能量傳遞到地球磁力線。從磁學中我們知道，磁力線是可以傳遞能量的。知道磁力線的能量傳遞機制，地球磁場的許多疑問就都可以得到解決。

太陽風作用在地球磁場上，還能引起地球磁場的許多變化。沒有太陽風的作用，可以說就沒有地球磁場的存在。

1、引起地球磁場的變化。強大的太陽風能夠破壞原來條形磁鐵式的磁場，將它壓扁而不對稱，形成一個固定的區域——磁層。磁層的外形象一隻頭朝太陽的“蟬”，“尾部”拖得很長很長。

2、巨大的衝擊還能強烈地扭曲磁場，產生被稱為“殺手”的電子湍流。這種電子湍流不但能鑽進衛星內部造成永久性破壞，還能切斷變電器及電力傳送設施，造成地面電力系統全面崩潰。

3、引發磁層亞暴。在磁層亞暴期間，距離地球表面36000公里的高空處可能會產生強烈的真空放電和高壓電弧，給同步軌道上的衛星帶來災難，甚至導致衛星殞滅。

此外，太陽風對地球上的天氣和氣候的異常也有一定的影響。

對當代天體物理學來說，太陽風的研究是一個意義深遠的重要課題，其中有不少新的內容需要人們進一步探索。我們深信，隨著現代科學技術的飛躍發展，在太陽風的研究上一定能獲得突破性的成就。

當太陽風到達地球附近時，與地球的偶極磁場發生作用，並把地球磁場的磁力線吹得向後彎曲。但是地磁場的磁壓阻滯了等離子體流的運動，使得太陽風不能侵入地球大氣而繞過地磁場繼續向前運動。於是形成一個空腔，地磁場就被包含在這個空腔裡。此時的地磁場外形就像一個一頭大一頭小的蛋狀物。

等離子體本身也可以對束縛著它的磁場產生影響。因為作為一片帶電粒子的海洋，等離子體可以容納電流。在任何存在電壓差來驅動電流的地方，電流都可以出現。在更為常見的電路中，比如在一個手電筒中，電池提供了驅動電壓。在太陽上，沒有類似電池的東西存在，但是磁場的變化造成了電壓差，由此產生電流（這裡依據的原理，與使發電機運轉的原理相同）。這些電流會產生新的磁場，使事情變得更加複雜。

這些磁場能量如何被轉變為熱能、加速粒子、拋射物質的時候，問題就出現了。一種可能的解釋只是簡單地出於對電路的考慮：任何電路都不能僅由它所攜帶的電流和驅動電荷流動的電壓來描述，它還與其中存在的電阻有關。舉例來說，燈泡中的燈絲為流經的電流提供了電阻，將電能變成光和熱消耗掉。太陽的大氣層也提供了電阻，因為組成電流的帶電粒子有時會相互碰撞，阻礙它們運動，使物體升溫。

該理論除可應用於地球磁層外，還可應用於其他行星磁層、行星際和星際空間以及太陽大氣的某些區域。對研究日地系統的能量傳輸及太陽風、磁層和電離層的耦合過程，瞭解地球空間環境的變化機理等有重大科學意義。

認識到日地系統各層次相互聯絡的重要性，首先全面的提出了太陽－磁層－電離層－高層大氣耦合的概念，並率先在我國開展磁層與各層次耦合的研究。利用磁流體力學和等離子體物理方法，最先研究了太陽風的湍譜結構，建立了一套描述太陽風湍譜分佈的表示式，理論結果與觀測資料相符合。

磁圈裡的電流實際上將地球本來的磁場擴充套件了許多，這些電流也決定遠離地球的地方的磁場結構。在地磁場中的電荷傾向於環繞地磁場的偶極旋轉。比如從上方看地球北極的話離子呈順時針方向旋轉，而電子則呈逆時針方向旋轉，導致上述的環電流。

除了這個水平的環流外還有在極地附近從遠太空進入電離層，然後又被反彈回太空的電流（伯克蘭流）。環電流場，這個場是由束縛在地球的磁偶極中的等離子導致的，這個電流一般離地心三至八地球半徑（強流時比較接近地面），其電流約沿地磁赤道流動，從北極看流向為順時針方向（在主流內有一個小的逆時針流）。

磁圈內束縛地球等離子和磁場的場。導致這個場的電流沿磁頂流動。這個電流是由磁頂的突然磁場變化（磁頂外太陽風的磁場，磁頂內地球磁場）導致的（安培定理）。

伯克蘭流場。這個場需要一個能量源來保持其加熱電離層的損失。這個能量源可能也是由發電機原理導致的。這說明伯克蘭流中至少有部分割槽域相對於地球運動。

假如行星際磁場的磁場方向是指向南方的話，那麼磁圈內的磁場方向與行星際磁場方向相反，這導致雙方比較容易聯絡到一起，使得太陽風內的能量和物質比較容易進入磁圈。其結果是磁尾擴充套件和變得不穩定。磁尾的結構會突然地和強烈地變化，導致所謂的磁亞暴。

一個推測是由於磁尾擴張，它對周邊的太陽風形成了一個比較大的阻力，而周邊的太陽風對它的壓力也增高。最後等離子層中的磁場線被中斷（磁場重聯），遠離地球的磁尾形成一個獨立的環，被太陽風吹走（等離子體團），而離地球近的部分則反彈回來。

磁亞暴不明顯加強環電流。但是磁暴會顯著地加強環電流。磁暴是在太陽日冕物質拋射或者耀斑發生後高速等離子體雲衝擊地球。假如這個時候行星際磁場的方向指向南方的話，這不但會使得磁圈的邊界向地球方向移動，而且會導致磁尾等離子體劇烈進入磁圈。

此外環電流被逼近地球，進一步加強了其粒子能量，暫時地改變地球附近的磁場，使得極光（及其電流系統）向赤道靠近。由於許多離子在短時間內透過電荷交流消失，因此磁場騷擾在一至三日內就消失了，但是環電流中的高能會持續相當長的時間。

範艾倫輻射帶中的高能電子峰值週期與太陽風暴發生頻率具有非常密切的關係。太陽風暴能夠將粒子流送往地球，但其能量要比範艾倫輻射帶電子流的能量低很多。這些資料同時顯示，這些粒子的能量在範艾倫輻射帶中心附近迅速增強，而這一過程並沒有受到外部能量源的影響

§6

磁層的力學描述

地磁場的數學描述是高斯的球諧分析方程，當然高斯的球諧分析方程還可以用於地球的重力場和地球的溫度場。磁層的數學描述比磁場的描述更為複雜，因為它可變的因素太多，結構更為複雜。

一、流體力學（fluid mechanics）

流體力學主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運動形態之間的相互作用的力學分支。研究流體本身的靜止狀態和運動狀態，以及流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動的規律。太陽風吹向天體的運動狀態可以歸屬於流體力學的描述。

17世紀，帕斯卡闡明瞭靜止流體中壓力的概念。但流體力學尤其是流體動力學作為一門嚴密的科學，卻是隨著經典力學建立了速度、加速度，力、流場等概念，以及質量、動量、能量三個守恆定律的奠定之後才逐步形成的。

力學奠基人牛頓，研究了在流體中運動的物體所受到的阻力，得到阻力與流體密度、物體迎流截面積以及運動速度的平方成正比的關係。他針對粘性流體運動時的內摩擦力也提出了牛頓粘性定律。但是，牛頓還沒有建立起流體動力學的理論基礎。

之後，法國皮託發明了測量流速的皮托管；達朗貝爾對運河中船隻的阻力進行了許多實驗工作，證實了阻力同物體運動速度之間的平方關係；瑞士的尤拉採用了連續介質的概念，把靜力學中壓力的概念推廣到運動流體中，建立了尤拉方程，正確地用微分方程組描述了無粘流體的運動；伯努利從經典力學的能量守恆出發，研究供水管道中水的流動，精心地安排了實驗並加以分析，得到了流體定常運動下的流速、壓力、管道高程之間的關係——伯努利方程。

尤拉方程和伯努利方程的建立，是流體動力學作為一個分支學科建立的標誌，從此開始了用微分方程和實驗測量進行流體運動定量研究的階段。從18世紀起，位勢流理論有了很大進展，在水波、潮汐、渦旋運動、聲學等方面都闡明瞭很多規律。法國拉格朗日對於無旋運動，德國赫爾姆霍茲對於渦旋運動作了不少研究。在上述的研究中，流體的粘性並不起重要作用，即所考慮的是無粘流體。這種理論當然闡明不了流體中粘性的效應。

19世紀，工程師們為了解決許多工程問題，尤其是要解決帶有粘性影響的問題。於是他們部分地運用流體力學，部分地採用歸納實驗結果的半經驗公式進行研究，這就形成了水力學，至今它仍與流體力學並行地發展。1822年，納維建立了粘性流體的基本運動方程；1845年，斯托克斯又以更合理的基礎匯出了這個方程，並將其所涉及的宏觀力學基本概念論證得令人信服。這組方程就是沿用至今的納維-斯托克斯方程（簡稱N-S方程），它是流體動力學的理論基礎。上面說到的尤拉方程正是N-S方程在粘度為零時的特例。

普朗特學派從1904年到1921年逐步將N-S方程作了簡化，從推理、數學論證和實驗測量等各個角度，建立了邊界層理論，能實際計算簡單情形下，邊界層內流動狀態和流體同固體間的粘性力。同時普朗克又提出了許多新概念，並廣泛地應用到飛機和汽輪機的設計中去。這一理論既明確了理想流體的適用範圍，又能計算物體運動時遇到的摩擦阻力。使上述兩種情況得到了統一。

20世紀初，飛機的出現極大地促進了空氣動力學的發展。航空事業的發展，期望能夠揭示飛行器周圍的壓力分佈、飛行器的受力狀況和阻力等問題，這就促進了流體力學在實驗和理論分析方面的發展。20世紀初，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等為代表的科學家，開創了以無粘不可壓縮流體位勢流理論為基礎的機翼理論，闡明瞭機翼怎樣會受到舉力，從而空氣能把很重的飛機託上天空。機翼理論的正確性，使人們重新認識無粘流體的理論，肯定了它指導工程設計的重大意義。

20世紀40年代以後，由於噴氣推進和火箭技術的應用，飛行器速度超過聲速，進而實現了航天飛行，使氣體高速流動的研究進展迅速，形成了氣體動力學、物理-化學流體動力學等分支學科。

以這些理論為基礎，20世紀40年代，關於炸藥或天然氣等介質中發生的爆轟波又形成了新的理論，為研究原子彈、炸藥等起爆後，激波在空氣或水中的傳播，發展了爆炸波理論。此後，流體力學又發展了許多分支，如高超聲速空氣動力學、超音速空氣動力學、稀薄空氣動力學、電磁流體力學、計算流體力學、兩相（氣液或氣固）流等等。

從20世紀60年代起，流體力學開始了流體力學和其他學科的互相交叉滲透，形成新的交叉學科或邊緣學科，如物理-化學流體動力學、磁流體力學等；原來基本上只是定性地描述的問題，逐步得到定量的研究，生物流變學就是一個例子。

等離子體是自由電子、帶等量正電荷的離子以及中性粒子的集合體。等離子體在磁場作用下有特殊的運動規律。研究等離子體的運動規律的學科稱為等離子體動力學和電磁流體力學，它們在受控熱核反應、磁流體發電、宇宙氣物質運動等方面有廣泛的應用。

因此，流體力學既包含自然科學的基礎理論，又涉及工程技術科學方面的應用。此外，如從流體作用力的角度，則可分為流體靜力學、流體運動學和流體動力學；從對不同“力學模型”的研究來分，則有理想流體動力學、粘性流體動力學、不可壓縮流體動力學、可壓縮流體動力學和非牛頓流體力學等。

納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations），以克勞德-路易·納維（Claude-Louis Navier）和喬治·蓋伯利爾·斯托克斯命名，是一組描述像液體和空氣這樣的流體物質的方程。這些方程建立了流體的粒子動量的改變率（加速度）和作用在液體內部的壓力的變化和耗散粘滯力（類似於摩擦力）以及重力之間的關係。這些粘滯力產生於分子的相互作用，能告訴我們液體有多粘。這樣，納維-斯托克斯方程描述作用於液體任意給定區域的力的動態平衡。

納維-斯托克斯方程依賴微分方程來描述流體的運動。這些方程，和代數方程不同，不尋求建立所研究的變數（譬如速度和壓力）的關係，而是建立這些量的變化率或通量之間的關係。用數學術語來講，這些變化率對應於變數的導數。這樣，最簡單情況的0粘滯度的理想流體的納維-斯托克斯方程表明加速度（速度的導數，或者說變化率）是和內部壓力的導數成正比的。

這表示對於給定的物理問題的納維-斯托克斯方程的解必須用微積分的幫助才能取得。實用上，只有最簡單的情況才能用這種方法解答，而它們的確切答案是已知的。這些情況通常設計穩定態（流場不隨時間變化）的非湍流，其中流體的粘滯係數很大或者其速度很小（小的雷諾數）。

對於更復雜的情形，例如厄爾尼諾這樣的全球性氣象系統或機翼的升力，納維-斯托克斯方程的解必須藉助計算機。這本身是一個科學領域，稱為計算流體力學。

進行流體力學的研究可以分為現場觀測、實驗室模擬、理論分析、數值計算四個方面：

同物理學、化學等學科一樣，流體力學離不開實驗，尤其是對新的流體運動現象的研究。實驗能顯示運動特點及其主要趨勢，有助於形成概念，檢驗理論的正確性。二百年來流體力學發展史中每一項重大進展都離不開實驗。

模型實驗在流體力學中佔有重要地位。這裡所說的模型是指根據理論指導，把研究物件的尺度改變（放大或縮小）以便能安排實驗。有些流動現象難於靠理論計算解決，有的則不可能做原型實驗（成本太高或規模太大）。這時，根據模型實驗所得的資料可以用像換算單位制那樣的簡單演算法求出原型的資料。

現場觀測常常是對已有事物、已有工程的觀測，而實驗室模擬卻可以對還沒有出現的事物、沒有發生的現象進行觀察，使之得到改進。因此，實驗室模擬是研究流體力學的重要方法。

理論分析是根據流體運動的普遍規律如質量守恆、動量守恆、能量守恆等，利用數學分析的手段，研究流體的運動，解釋已知的現象，預測可能發生的結果。理論分析的步驟大致如下：

首先是建立“力學模型”，即針對實際流體的力學問題，分析其中的各種矛盾並抓住主要方面，對問題進行簡化而建立反映問題本質的“力學模型”。流體力學中最常用的基本模型有：連續介質、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體、平面流動等。

求出方程組的解後，結合具體流動，解釋這些解的物理含義和流動機理。通常還要將這些理論結果同實驗結果進行比較，以確定所得解的準確程度和力學模型的適用範圍。

從基本概念到基本方程的一系列定量研究，都涉及到很深的數學問題，所以流體力學的發展是以數學的發展為前提。反過來，那些經過了實驗和工程實踐考驗過的流體力學理論，又檢驗和豐富了數學理論，它所提出的一些未解決的難題，也是進行數學研究、發展數學理論的好課題。按目前數學發展的水平看，有不少題目將是在今後幾十年以內難於從純數學角度完善解決的。

對於一個特定領域，考慮具體的物理性質和運動的具體環境後，抓住主要因素忽略次要因素進行抽象化也同時是簡化，建立特定的力學理論模型，便可以克服數學上的困難。

此外，流體力學中還經常用各種小擾動的簡化，使微分方程和邊界條件從非線性的變成線性的。聲學是流體力學中採用小擾動方法而取得重大成就的最早學科。聲學中的所謂小擾動，就是指聲音在流體中傳播時，流體的狀態（壓力、密度、流體質點速度）同聲音未傳到時的差別很小。線性化水波理論、薄機翼理論等雖然由於簡化而有些粗略，但都是比較好地採用了小擾動方法的例子。

每種合理的簡化都有其力學成果，但也總有其侷限性。例如，忽略了密度的變化就不能討論聲音的傳播；忽略了粘性就不能討論與它有關的阻力和某些其他效應。掌握合理的簡化方法，正確解釋簡化後得出的規律或結論，全面並充分認識簡化模型的適用範圍，正確估計它帶來的同實際的偏離，正是流體力學理論工作和實驗工作的精華。

流體力學既含有基礎理論，又有極廣泛的應用範圍。從研究物件劃分，它主要有以下分支學科：地球流體力學，研究大氣、海水以及地球深處熔漿的運動；水力學和水動力學，研究水在海洋、江河、渠道、管道和水力機械中的運動，船舶運動和阻力，高速水流中的空化，等等；空氣動力學，研究空氣的特性（如粘性、壓縮性、擴散和波動特性等），飛行器的氣動力特性和氣動加熱現象，飛行器外形設計等；環境流體力學和工業流體力學，研究大氣汙染 、建築物的風載風振問題、風能利用、沙漠遷移、河流泥沙運動、液力和氣力輸送，等等；生物流體力學，研究人和其他生物體內的流體運動規律；其他還有滲流力學、磁流體力學、物理-化學流體力學、爆炸力學等。

磁層和太陽風系統用流體力學來描述是困難的，因為磁層和太陽風都是可以壓縮的，特別是在磁暴時期。當逐漸增強的太陽風把磁層空間壓縮時，只是磁層的空間大小發生了變化。增強的太陽風作用在磁力線上，使磁力線把能量傳遞到地磁場上，使地磁力增強。這就是我們看到的磁暴現象。逐步減弱的太陽風和相對增強的地磁場促使磁層爆發性地擴大了體積，進而讓太陽風作用在磁層上的面積進一步擴大。磁層系統經歷過這種一縮一漲，磁層內各部位的變化和能量分佈變動產生許多能量轉換現象，比如磁場重聯等。

磁層和太陽風系統的流體力學描述，若是靜態的去找它的解都已經很困難，找到動態連續的磁暴過程數學解決方法就更困難了。但是，磁層和太陽風系統模型實驗方法非常重要了，磁層的模型實驗方法我們放在第八章裡去討論。

磁層亞暴、磁暴、磁層粒子暴、電離層暴和熱層暴都不是我們日常所熟悉的事物，成熟地去討論它們還需要有一個過程。如果有磁層和太陽風系統模型實驗方法，再去詳細地理解磁層現象也就不是一件太困難的事。

二、彈性力學

採用氣體和液體相互作用的氣動彈性力學理論，以及磁粘彈性理論等去處理磁層和太陽風系統模型，也不失為一種科學方法。

英國的 R。胡克於1678年和法國的 E。馬略特於 1680年分別獨立地提出了彈性體的變形和所受外力成正比的定律，後被稱為胡克定律。I。牛頓於1687年確立了力學三定律（見牛頓運動定律），同時數學也在飛躍發展，建立彈性力學數學理論的條件已大體具備。17世紀末，人們開始研究梁的理論。到19世紀20年代法國的 C。L。M。H。納維和 A。L。柯西才基本上建立了彈性力學的數學理論。柯西在 1822～1828年發表的一系列論文中，明確地提出了應變、應變分量、應力和應力分量的概念，建立了彈性力學的幾何方程、運動（平衡）方程、各向同性以及各向異性材料的廣義胡克定律，從而奠定了彈性力學的理論基礎。1855～1856 年間法國的A。J。C。B。聖維南發表了柱體扭轉和彎曲的論文，其中理論結果和實驗結果密切吻合，為彈性力學的正確性提供了有力的證據。1881年德國的H。R。赫茲解出了兩彈性體區域性接觸時彈性體內的應力分佈。1898年德國的G。基爾施在計算圓孔附近的應力分佈時，發現了應力集中。這些成就解釋了過去無法解釋的實驗現象，對提高機械、結構等零件的設計水平起了重要作用。在這個時期，彈性力學的一般理論也有很大發展，建立了各種關於能量的定理和原理，如彈性力學虛功原理和彈性力學最小勢能原理，1872年義大利的 E。貝蒂建立的功的互等定理，1873～1879年義大利的 A。卡斯蒂利亞諾建立的彈性力學最小余能（即餘應變能）原理。還發展了許多有效的近似計算、數值計算和其他計算方法，如瑞利-里茲法，為直接求解泛函極值問題開闢了道路，推動了力學、物理、工程中近似計算的發展。1913～1915 年俄國的布勃諾夫和伽遼金提出了布勃諾夫-伽遼金法。後來，蘇聯的穆斯赫利什維利於20世紀 30年代發展了複變函式的應用，為求解彈性力學平面問題提供了有力的工具。積分變換和積分方程等在彈性力學中的應用也有了新發展。從20世紀20年代起，彈性力學在發展中出現了許多邊緣分支：各向異性和非均勻體理論，非線性板殼理論和非線性彈性力學，熱彈性力學，氣動彈性力學，水彈性力學和粘彈性力學等。磁彈性和微結構彈性理論也開始建立起來。此外還建立了彈性力學廣義變分原理。

為了闡明一個彈性力學問題，需要說明物體的形狀和物體各部分由什麼材料組成；說明物體所承受的載荷，包括體積力，自由邊界上的載荷；說明此物體和其他物體的連線情況。對彈性力學的平衡問題，說明上述三個方面即可 。但對彈性力學的動力問題，還需說明物體的初始狀態。

在這個時期，彈性力學的一般理論也有很大的發展。一方面建立了各種關於能量的定理（原理）。另一方面發展了許多有效的近似計算、數值計算和其他計算方法，如著名的瑞利——里茲法，為直接求解泛函極值問題開闢了道路。

從20世紀20年代起，彈性力學在發展經典理論的同時，廣泛地探討了許多複雜的問題，出現了許多邊緣分支：各向異性和非均勻體的理論，非線性板殼理論和非線性彈性力學，考慮溫度影響的熱彈性力學，研究固體同氣體和液體相互作用的氣動彈性力學和水彈性理論以及粘彈性理論等。磁彈性和微結構彈性理論也開始建立起來。此外，還建立了彈性力學廣義變分原理。這些新領域的發展，豐富了彈性力學的內容，促進了有關工程技術的發展。

求解一個彈性力學問題，就是設法確定彈性體中各點的位移、應變和應力共15個函式。從理論上講，只有15個函式全部確定後，問題才算解決。但在各種實際問題中，起主要作用的常常只是其中的幾個函式，有時甚至只是物體的某些部位的某幾個函式。所以常常用實驗和數學相結合的方法，就可求解。

三、磁流體力學

磁流體力學是結合經典流體力學和電動力學的方法，研究導電流體和磁場相互作用的學科，它包括磁流體靜力學和磁流體動力學兩個分支。磁層和太陽風系統不適合用其描述，地磁場是磁流體動力學的理想解決方案。

磁流體靜力學研究導電流體在磁場力作用於靜平衡的問題；磁流體動力學研究導電流體與磁場相互作用的動力學或運動規律。磁流體力學通常指磁流體動力學，而磁流體靜力學被看作磁流體動力學的特殊情形。

1832年法拉第首次提出有關磁流體力學問題。他根據海水切割地球磁場產生電動勢的想法，測量泰晤士河兩岸間的電位差，希望測出流速，但因河水電阻大、地球磁場弱和測量技術差，未達到目的。1937年哈特曼根據法拉第的想法，對水銀在磁場中的流動進行了定量實驗，併成功地提出粘性不可壓縮磁流體力學流動（即哈特曼流動）的理論計算方法。

1940～1948年阿爾文提出帶電單粒子在磁場中運動軌道的“引導中心”理論、磁凍結定理、磁流體動力學波（即阿爾文波）和太陽黑子理論，1949年他在《宇宙動力學》一書中集中討論了他的主要工作，推動了磁流體力學的發展。1950年倫德奎斯特首次探討了利用磁場來儲存等離子體的所謂磁約束問題，即磁流體靜力學問題。受控熱核反應中的磁約束，就是利用這個原理來約束溫度高達一億度量級的等離子體。

等離子體的密度範圍很寬。對於極其稀薄的等離子體，粒子間的碰撞和集體效應可以忽略，可採用單粒子軌道理論研究等離子體在磁場中的運動。對於稠密等離子體，粒子間的碰撞起主要作用，研究這種等離子體在磁場中的運動有兩種方法。一是統計力學方法，即所謂等離子體動力論，它從微觀出發，用統計方法研究等離子體在磁場中的宏觀運動；二是連續介質力學方法即磁流體力學，把等離子體當作連續介質來研究它在磁場中的運動。

磁流體力學是在非導電流體力學的基礎上，研究導電流體中流場和磁場的相互作用。進行這種研究必須對經典流體力學加以修正，以便得到磁流體力學基本方程組。

磁流體力學基本方程組具有非線性且包含方程個數又多，所以求解困難。但在實際問題中往往不需要求最一般形式的方程組的解，而只需求某一特殊問題的方程組的解。一般應用量綱分析和相似律求得表徵物理問題的相似準數，並簡化方程，即可得到有實用價值的解。

磁流體力學相似準數有雷諾數、磁雷諾數、哈特曼數、馬赫數、磁馬赫數、磁力數、相互作用數等。求解簡化後的方程組不外是分析法和數值法。利用計算機技術和計算流體力學方法可以求解較複雜的問題。

磁流體力學的理論很難像普通流體力學理論那樣得到充分的驗證。由於在常溫下可供選擇的介質很少，同時需要很強的磁場才能觀察到磁流體力學現象，故不易進行模擬。模擬天體大尺度的磁流體力學問題更不易在實驗室中實現。所以磁流體力學的理論有的可以得到定量驗證，有的只能得到定性或間接的驗證。當前有關磁流體力學的實驗是在各種等離子體發生器和受控熱核反應裝置中進行的。

研究磁流體問題，首先是建立磁流體力學基本方程組，其次是用這個方程組來解決各種問題。磁流體力學主要用來研究解決的有：

理想導電流體運動對地球磁場影響的問題；或流體靜止時，流體電阻對磁場影響的問題，其中包括磁凍結和磁擴散。

研究磁場力對導電流體定常運動的影響。方程的非線性使磁流體動力學流動的數學分析複雜化，通常要用近似方法或數值法求解。它們雖然是簡化情況的解，然而清晰地闡明瞭基本的流動規律，利用這些規律至少可以定性地討論更復雜的磁流體動力學流動。

研究磁流體動力學波，包括小擾動波、有限振幅波和激波。瞭解等離子體中波的傳播規律，可以探測等離子體的某些性質。此外，激波理論在電磁激波管、天體物理和地球物理上都有重要的應用。

宇宙中恆星和星際氣體都是等離子體，而且有磁場，故磁流體力學首先在天體物理、太陽物理和地球物理中得到發展和應用。當前，關於太陽的研究課題有：太陽磁場的性質和起源，磁場對日冕、黑子、耀斑的影響。此外還有：星際空間無作用力場存在的可能性，太陽風與地球磁場相互作用產生的弓形激波等。

磁流體力學除了與開發和利用核聚變能有關外，還與磁流體發電密切聯絡。磁流體發電的原理是用等離子體取代發電機轉子，省去轉動部件，這樣可以把普通火力發電站或核電站的效率提高15～20%，甚至更高，既可節省能源，又能減輕汙染。

宇宙中磁場是普遍存在的。太陽上不僅普遍有磁場，而且在區域性區域和一定時間內，磁場可以很強，如太陽黑子的磁場強度可達數千高斯。恆星上也存在磁場，已觀測到的磁變星的磁場強度可達幾萬高斯。中子星的場強更大，可達10～106高斯。在恆星際空間和星系際空間也存在磁場。因此，磁場中等離子體的運動就成為天體物理研究的重要物件，而磁流體力學則是一個重要的研究工具。

擾動的傳播與一般流體力學有很大不同。首先，由於磁張力，凍結在流體中的磁力線像繃緊的弦一樣，垂直磁力線的擾動可以沿著這種磁力線傳播，形成阿爾文波。其次，磁流體力學中聲波受磁場影響將分解為快磁聲波和慢磁聲波兩種，它們的相速度分別大於和小於阿爾文波的相速度。這三種波的傳播一般是各向異性的，它們統稱為磁流體力學波。

磁流體力學湍流往往是與宇宙中磁場的產生和維持相聯絡的。湍流的無規則運動一般會使磁力線伸長，而使磁場增強。另一方面，湍流也會增加磁場的耗散率。當然，磁場也將對湍流運動起反作用。

許多行星（如水星，地球，木星和土星）和恆星（如太陽）具有磁層磁場。對這些磁場的存在和變化的解釋對行星科學家和天體物理學家都是個巨大的挑戰。行星或恆星的導電體內部的磁流體力學研究新近發展和實際困難。一般由電流驅動的流動，透過磁流體力學過程產生並維持在行星和恆星中的各種磁場。在行星中磁流體力學過程強烈地受到轉動、磁場和球幾何位型的綜合影響。其動力學的關鍵方面涉及科里奧利力和洛倫茲力間的相互作用。在太陽中其流線，即處於對流層薄的剪下流層在太陽的磁流體力學過程中扮演了一個基本的角色。

在電磁場中運動的導電流體，一方面受到洛倫茲力的作用，同時還產生感應電動勢。前者使流體運動受到電磁場的影響，後者則使電磁場又受到流體運動的影響，因此形成流場與電磁場之間的耦合。等離子體在一定條件下可以看作連續介質，磁流體力學則是研究等離子體理論的宏觀方法。實際上，磁流體力學的發展一直是與等離子體動力學的發展互相促進的。

宇宙磁流體力學更有其特色。首先，它所研究的物件的特徵長度一般來說是非常大的，因而電抗的作用遠遠大於阻抗的作用。其次，其有效時間非常久，所以由電磁原因引起的某些作用力不大可觀，卻能產生重大效應。磁流體力學大體上可以和流體力學平行地進行研究，但因磁場的存在也具有自己的特點：在磁流體靜力學中的平衡方程，和流體靜力學相比，增加了磁應力部分，這就是產生磁約束的根據。運動學在磁流體力學中有著不同的涵義，它研究磁場的“運動”，即在介質流動下磁場的演變。如果電導率是有限的，則磁場還要擴散。研究流動如何產生和維持天體中磁流機制，目前大多是以運動學為基礎的。

無論對於平衡的不穩定性，層流轉換為湍流的不穩定性或熱力不穩定性，磁場的影響都會起很重要的作用。一般來說，磁場對導電流體的運動起著像粘滯阻力一樣的作用，並且使導電流體具有一定程度的剛性。這樣就會減弱任何導致不穩定的趨向。同時，磁場的存在也將傳播一些新的擾動模式。

§7 太陽風作用地球磁層

地磁場的高斯分析表明，隨著距離的延伸，偶極子磁場所佔的比例越來越大。經典的觀點認為，偶極子磁場的磁位分佈同離開地心距離的平方成反比，場強同距離的立方成反比，向外無限延伸。近代的觀測和研究改變了這種經典的認識。按照近代的觀點，太陽風與地磁場相互作用，使地磁力線壓縮在一個空間範圍之內，形成了磁層。地磁場完全被侷限在磁層之內。高空磁場才具有偶極子磁場的特徵。高空地磁場的形態遠比近地面空間複雜。

太陽風攜帶著巨大能量作用在地球磁層上。離子流對磁力線的作用和反作用說明太陽風的能量傳遞到了地球的磁力線上。從磁學中我們知道，磁力線是可以傳遞能量的。以下就是找到這種傳遞機制，地球磁場的許多問題就都可以得到解決。

高超聲速飛行體形狀為鈍頭的情況下，在鈍頭附近，激波接近於正激波，其強度很大。如果來流馬赫數很高，激波層內的氣體溫度很高，就會產生一系列高溫效應，如離子的振動自由度被激發。激波層內包含電子和離子，此時激波層就會像一個鞘層把物體包圍住，這種激波層稱為等離子體鞘。在這種情形下有激波層流動，激波層又可分成無高溫效應激波層和有高溫效應激波層，“溫暖的等離子斗篷”就是如此形成的，它們在進行著能量的傳遞。

地球電磁感應的理論基礎是分別求解地球內外電磁場所滿足的方程。地球電磁場變化一般很緩慢，地球內部的位移電流很小，因此電磁場主要是由較強的區域向較弱的區域擴散，而不是以波動形式向外傳播。地球地殼介質是導體，電磁場滿足擴散方程；地球外部介質可以看成絕緣體，磁場是保守場，磁勢滿足拉普拉斯方程。

磁層空間電流體系可分為：（1）太陽風和磁層相互作用產生的磁層頂電流系，這是巨大的無與倫比的磁層頂發電機；（2）磁尾中性片上的跨尾電流與磁尾上下的閉合的磁尾電流系，是次生電流系；（3）對稱赤道環電流系，在範艾倫輻射帶外緣赤道平面處；（4）區場向電流系，它們是磁尾拉出的電流系與磁層亞爆相關，當磁層亞爆發生時，它們與赤道環電流系、磁尾電流系變換；（5）電離層發電機電流系。磁層內基本上都是等離子體，等離子體具有一定的導電性，生成以上五類電流體系，實屬自然世界的合理組合。但是，磁層磁場從太陽風得到的能量在這五類電流系統裡是轉化不掉的，所以說，太陽風-磁層磁場-地殼環赤道導體-地磁場耦合系統消耗掉了太陽風的大部分能量。地殼赤道環電流體系是地球磁系統的主電流體系。

現代的許多科學家的都認為，地球磁場的驅動能量只有來自太陽。如果假設地球是放置在沒有恆星的環境當中形成並執行的，那麼地球將不會有地磁場存在。所以形成現在這樣的地磁場的能量最終只能來源於太陽的作用。

本章重點概要

（一）

太陽風是一種連續存在，來自太陽並以200～800千米/秒的速度運動的等離子體流。

（二）

在天體周圍由空間等離子體包裹，並受天體磁場控制的區域。太陽風壓縮地球磁場，把地磁場限制在一個空腔範圍內，這就是磁層。

（三）

太陽風作用在地球此層上，我們可以把它看成為，一種物質流作用在磁力線上。就和水流遇到了一塊石頭或者氣流當中的一隻彈性皮球很是相似。石頭或者皮球對太陽風有阻力，太陽風對石頭或者皮球就有作用力。

（四）

太陽風攜帶著巨大能量是不容置疑的

，當它作用在地球磁層上時，它主要的接觸範圍還是作用在磁層的磁力線上。離子流對磁力線的作用和反作用說明太陽風的能量傳遞到地球磁力線了。從磁學中我們知道，磁力線是可以傳遞能量的。知道磁力線的能量傳遞機制，地球磁場的許多疑問就都能得到解決了。

（五）

流體力學主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運動形態之間的相互作用的力學分支。研究流體本身的靜止狀態和運動狀態，以及流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動的規律。太陽風吹向天體的運動狀態可以歸屬於流體力學的描述。

（六）

現代的許多科學家的都認為，

地球磁場的驅動能量只有來自太陽

。如果假設地球是放置在沒有恆星的環境當中形成並執行的，那麼地球將不會有地磁場存在。所以形成現在這樣的地磁場的能量最終只能來源於太陽的作用。