地球磁层是众多人造卫星的运行区域，同时也是人类航天器进入外太空开展深空探测的必经之路，因此地球磁层和人类的生活密切相关。通常情况下，地球磁层是平静的，阻挡了来自太阳的大部分高能粒子，从而使地球成为一个宜居星球。然而，在极端条件下，地球磁层变得非常活跃且充满能量，这些能量会损坏人造卫星、威胁航天员、破坏地面民用设施，从而给国民经济带来损失。因此，研究这些能量如何注入地球磁层、如何在地球磁层中传输，以及如何在磁层中耗散是空间物理领域的核心课题。北京航空航天大学曹晋滨院士和符慧山教授围绕这三个问题展开讨论，回顾了近年来国内外的相关研究进展，提出其中存在的关键科学问题，阐述了其中涉及的模型和方法，并介绍了与此相关的卫星探测计划，目的是把地球磁层中的能量注入、能量传输、能量耗散有机地串联起来，呈现一个完整的磁层能量链条，揭开磁层能量链条与空间天气事件之间的关系，为空间天气预报业务提供参考。该项成果发表在《中国科学：地球科学》2025年第2期。

地球周围的空间环境非常危险，来自太阳和星际空间的高能粒子无时无刻不在侵扰地球。这些高能粒子具有很强的穿透能力和辐射效应。然而，身处如此危险的空间环境中，地球上依然生机盎然，这主要是因为地球存在一个磁层（如图1所示）。该磁层阻挡了大部分高能粒子，从而把地球上的人类和其它物种保护起来，使地球成为一个宜居星球。然而，在行星际磁场南向期间，地球磁层（也称为地球“保护伞”）会被破坏，一部分高能粒子能够进入磁层，到达近地空间，从而给人类的航天活动和国民经济带来损失。因此，揭示这些能量如何注入地球磁层、如何在磁层中进行传输、以及如何耗散在磁层中非常必要。

图1 地球磁层示意图

地球磁层中的能量注入主要归因于磁层顶重联和磁尾重联，即方向相反的两组磁力线相互靠近、断裂、并重新联接的过程。在三维空间，磁重联的形状为“放射状”；而在二维空间，它的形状为“X线”。这一拓扑形状在磁重联过程中发生改变。描述磁重联的模型有Sweet-Parker模型、Petschek模型和Hall模型。其中，Hall模型被认为是最合理的模型，但同时也是一个跨尺度模型。磁重联能够驱动亚暴、加速高能电子和转换电磁能量，其中驱动亚暴通过磁尾电流楔来完成；加速高能电子则通过费米加速、betatron加速、平行电场加速、磁岛融合加速等机制来实现；电磁能量转换主要发生在O点（即磁通量绳），而非X点（图2）。

图2 磁重联过程中的能量转换及其发生位置

地球磁层能量传输的主要载体是爆发性整体流和偶极化锋面。爆发性整体流是指速度超过150 km/s的磁尾高速流，而偶极化锋面则是镶嵌在爆发性整体流中的一个磁场结构。从统计上看，爆发性整体流传输的能量占整个磁尾能量输运的60%-90%，而偶极化锋面传输的能量可以占爆发性整体流的65%甚至更多。这种能量传输可以分解为宏观和微观两种形式。分析宏观能量传输使用磁流体力学方法，而分析微观能量传输则使用动理论方法。当爆发性整体流的速度越大时，微观能量占比越小；当流的速度越小时，微观能量占比越大（图3）。因此，分析磁层能量传输必须结合使用磁流体力学方法和动理论方法。

图3 爆发性整体流携带的宏观能量和微观能量及其比例分配

地球磁层中能量耗散的主要后果是激发等离子体波。具体来说，从磁尾注入内磁层的超热粒子和原有粒子混合后形成了非麦克斯韦分布。这种分布不稳定，容易引起能量耗散并激发各种波动，例如嘶声波、合声波、电磁离子回旋波、静电回旋谐波、快磁声波。其中，嘶声波是杂乱无结构的哨声模波动；合声波为离散升调(或者降调)的哨声模波动；电磁离子回旋波也是离散升调的波模，主要出现在等离子体羽流中；静电回旋谐波是一种频率为电子回旋频率的半整数倍的波模；快磁声波是一种频率为离子回旋频率的整数倍的波模，其既可以体现为杂乱无结构的形式、也可以体现为离散升调的形式（图4）。

图4 离散升调快磁声波的典型频谱特征

地球磁层中的能量注入、能量传输、能量耗散这三个过程有机串联起来，形成了一个完整的磁层能量链条。该链条是空间天气预报的理论基础。

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符慧山, 曹晋滨. 2025. 地球磁层中能量的注入、传输和耗散. 中国科学: 地球科学, 55(2): 367–396

来源: 《中国科学》杂志社