什么是磁层电磁波?

[拼音]：ciceng diancibo

[外文]：electromagnetic wave in magnetosphere

磁层是地球周围的一个十分宽广的等离子体空间，其内的物理过程主要受地球磁场控制。由于磁层结构复杂以及太阳风的作用，多种类型的等离子体不稳定性都可以在磁层中发生。在磁层的各个区域会产生、传播不同类型的波，包括电磁波和静电波，其频率范围为 10-3～106赫，统称磁层等离子体波。

磁层内静磁能大于等离子体的动能，等离子体的分布和行为主要受地球磁场的控制。同时，由于来自太阳的超声速粒子源──太阳风的作用，磁层的形状类似于彗星(见图)。其背日面的尾部远达几百个地球半径以上，称为磁尾。在磁尾有等离子体片和磁场为零的中性片。在向日面有一个边界，称为磁层顶。那里，太阳风的动压与磁层的磁压相等，正常情况下磁层顶离地心约 8～11个地球半径。高速的太阳风在磁层顶附近、离地心约14个地球半径处形成一个无碰撞的弓形激波面，厚度较薄，仅相当于近地行星际磁场中的质子回旋半径。弓形激波面与磁层顶之间的过渡区称为磁鞘，厚度为3～4个地球半径。太阳风经过弓形激波面受到加热和偏折，沿磁层顶流向磁尾。在磁纬度 70°～75° 的极区，有开放的磁力线，称为极尖区。在低于极尖区纬度的区域中，磁场近似为偶极场的封闭磁力线。特别在磁纬度 60°以下，由封闭磁力线组成象面包圈形状的磁场，高能粒子被捕获而形成辐射带。以磁纬度 60°相对应的磁力线为分界，低能粒子组成的等离子体有一个明显的电子密度变化，这条分界线称为等离子层顶。在等离子层顶以下为等离子层，其成分主要是在电离层中被光化电离的氢和氦。这些质量轻的等离子体按扩散平衡分布，从F2层顶部扩展到离子层顶。

磁层中的波和实验室等离子体的波有相同的基本特性，大致可分为阿尔芬波、离子和电子回旋波、静电波。

由于磁层中碰撞频率很小，等离子体可视为理想导电流体，它遵守阿尔芬的冻结原理，即等离子体运动时磁力线与粒子一起运动。当波的频率远小于离子回旋频率时，波的速度主要决定于离子的质量和磁张力，如弦的传播速度决定于弦质量密度和弦的张力一样。阿尔芬波的速度远小于光速，并且不随波的频率而变化。在从太阳到磁层的行星际空间观测到的许多起伏场都是阿尔芬波，绝大部分是从太阳向外传播的。在高纬度地面上观测到的一种频率在 0.001～10赫范围的地磁脉动，就属于这种沿地磁场传播的阿尔芬波，也是磁流体波。因为与等离子体一起振动的磁场是横向振动，阿尔芬波与一般的电磁波相似，也具有横电磁波的特性。只是波的磁场能远大于电场能。

随着波的频率的增加，阿尔芬波分裂为两个偏振方向相反的圆偏振波（对于纵传播），其中左旋偏振波对应离子回旋波。频率越接近离子回旋频率，则波的色散越明显；在频率等于离子回旋频率时发生谐振，如在等离子层顶和极尖区观测到略低于离子回旋频率的离子回旋波（频率为0.5～100赫）。右旋偏振波对应电子回旋波，又称哨声模电磁波，有更明显的色散特性，波的群速度也小于光速。在磁层中哨声模电磁波十分普遍，如在等离子层顶和等离子层内部沿地磁场传播的电子哨声波（频率为100赫～1兆赫）和离子哨声波（频率为10～750赫）。此外，各种甚低频发射，包括等离子层嘶声、极光区嘶声、合声等（见磁层甚低频发射），都属于哨声模电磁波或由它们组合的电磁湍流。在频率接近等离子频率时，如在电离层的高频无线电波，有寻常波和非常波，遵守阿普顿－哈特里公式（见磁离子理论）。

一般说来，阿尔芬波、离子与电子回旋波都属于电磁波，是横波。在磁层等离子体中还有一种受静电力引起的等离子体振荡波，它不同于前者，是纵波。在冷等离子体中电磁波(包括阿尔芬波)可以传播，而静电波在等离子体中不能传播，只是一种振荡。这种振荡的恢复力是等离子体中的电子离开平均位置时出现的静电力。当有热运动时，电子的速度便有不同的分布，如果较高速度的粒子数目小于较低速度的粒子数目，当波与粒子相互作用时波将因其能量交给粒子而受到衰减。反之，如果较高速度的粒子数目大于较低速度的粒子数目，则波将获得能量而增大，导致不稳定性。磁层中的弓形激波和磁鞘中的弓形激波湍流就是宽带的静电波，频率为200赫～30千赫；在极光区上空也有宽带静电湍流，频率为10赫～10千赫；在磁尾等离子体片的边界上有宽带的静电噪声，频率为10赫～2千赫。这些静电波在人造卫星上都能观测到。利用卫星还能观测到等离子层顶的两种谐振的振荡，一种称为下混杂谐振噪声，频率为4～18千赫；另一种称为上混杂谐振噪声，频率为100～600千赫。

此外，在频率很低时，波的相速度等于离子的热运动速度，故离子具有声波的速度，称为离子声波。还有一种由于密度梯度引起的漂移波，如同在重力作用下的空气与水两种流体的分界面上产生漂移波一样。在磁尾中性电离处可观测到离子声波和漂移波。

参考书目

T.H.Stix，The Theory of Plasma Waves，McGraw-Hill，New York，1962.S.I.Akasofu and S.Chapman，Solar Terrestrial Physics，Clarendon，Oxford，1972.