磁層亞暴

磁層亞暴，是發生於地球磁層的強烈擾動，簡稱亞暴，持續時間為1～2小時。其主要擾動區域包括整個磁尾、等離子體片和極光帶附近的電離層。

1961年，赤祖父俊一和S.查普曼把磁暴主相分解為環電流磁場和極區擾動磁場。極區擾動磁場的持續一般為1～2小時，比磁暴的持續時間短得多，故又稱極區擾動磁場亞暴，也稱地磁亞暴。因為極光活動時間和地磁亞暴一致，故極光活動又稱極光亞暴。1968年，赤祖父俊一把它們統稱為磁層亞暴，因為它們都是磁層擾動的表現。

亞暴起始時，平靜光弧突然增亮，增亮區擴大，這就是極光亞暴。亞暴是南北半球共軛的，共軛點上有相同現象，共軛點是指同一條磁力線截於南北半球地面的兩點。亞暴是磁尾的一種激烈而頻繁的運動形式，磁擾日裏幾乎每天都發生數次。亞暴常成串出現，時間間隔無規律，有時第一次尚未結束，第二次接踵而來，這稱為疊發亞暴。每一次爆發來不及構成完整的膨脹相，而只是一次接一次的極光增亮。亞暴的發生與行星際磁場和太陽風狀態有密切關係，一般當行星際磁場持續一段時間偏南之後，就會發生一連串亞暴。磁層亞暴時，可能造成高緯度地區無線電通訊中斷，地球同步軌道上的衞星充電等效應。因此，對磁層亞暴的研究具有實際意義。

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，每一次增強都伴隨着Pi2脈動的爆發和西向湧浪的出現。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。

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；接着，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,磁尾的等離子體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，整個磁尾的等離子體片的厚度開始變薄。伴隨亞暴發生的另一個過程是等離子體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。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)。中性線以外的等離子體以每秒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制作出明確的説明。從物理學上作出的可能判斷是，當磁尾等離子體向着地球方向運動時，為保持粒子磁矩守恆或縱向不變量守恆，電子迴旋加速機制和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，如今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，也可引起同步衞星發生強烈真空放電和高壓電弧（有時甚至會導致一顆衞星的完全損壞），因而對磁層亞暴的研究有重要的實際意義。

用一元磁流體力學廣義行波展開法進一步研究了近磁尾內邊界的位型不穩定性。將筆者以前關於近磁尾赤道面附近的漂移氣球模不穩定性工作推廣到非赤道區和存在非定常地向流的情形。論證了減切地向流將導致近磁尾內邊界絕對不穩定，並使增長率顯著增加。研究表明在亞暴電流楔的形成過程中，中磁尾磁重聯和近磁尾位型不穩定性可能協同地起着重要作用。在此基礎上提出了一個磁層亞暴膨脹相的中性線一電流中斷協同模型。該模型能解釋衞星和地面的許多亞暴觀測結果。不同的亞暴可能有不同的觸發過程。

磁層亞暴是地球空間最重要的能量輸入、耦合和耗散過程。磁層亞暴發生在行星際磁場（IMF）南向時，每次延續2~3小時。由於磁層亞暴出現頻繁，對地球空間有廣泛和重要的影響，其全球過程、效應和模型的研究一直是近30年來日地物理學中最受重視的核心前沿課題之一。多年來已提出和發展了許多種模型和理論，最有影響的有“近地電流中斷模型”(NECD)和“近地中性線模型”(NENL)。 ^[3] 

根據“近地電流中斷模型”：(1)內磁層(-8~ -10Re)是自由能的源區，越尾電流在亞暴膨脹相爆發之前達到最大[Kaufmann, 1987; Ohtani et al., 1992]；(2)近磁尾不穩定性導致電流中斷(CD)，形成亞暴電流楔(SCW)，進而觸發亞暴爆發；(3)在亞暴開始之後，電流中斷引起了向尾部傳播的稀疏波，這種波使等離子體片變薄，Bz減小。在磁尾某點，在膨脹相的末期，或者在恢復相開始時，這些效應觸發重聯以及後來等離子體粒團和高速流(BBFs)的生成；(4)等離子體流既不能引起電流中斷，也不能引起極光崩潰[Lui, 1992; Lyons,2000]。另一方面，新發展改進的“近地中性線模型”(NENL)[Baker et al.,1996; Baumjohann, 2002]認為：(1)來源於中磁尾磁重聯的BBFs向內磁層傳輸能量，它們阻塞的位置一般在-13~ -15Re以外[Shiokawa et al., 1997]；(2)磁通量在這一位置堆積，最終導致磁場的偶極化[Shiokawa et al., 1998]；(3)由於高速流阻塞產生壓力梯度導致昏向越尾電流轉向，從而形成SCW[Birn et al.,1999]。在這兩種模型中，磁場偶極化是一個共同的特徵。在有些事例中，BBFs先於內磁層偶極化之前出現，這支持BBFs可以導致磁場的偶極化。而另一些事例中，電流中斷可以在沒有BBFs的情況下，引起磁場的偶極化。由於過去主要是單點探測，人們對大尺度的磁場偶極化過程還很不清楚。 ^[3]