磁層電磁波(electromagnetic wave in magnetosphere )。磁層是地球周圍的一個十分寬廣的電漿空間，其內的物理過程主要受地球磁場控制。由於磁層結構複雜以及太陽風的作用，多種類型的電漿不穩定性都可以在磁層中發生。在磁層的各個區域會產生、傳播不同類型的波,包括電磁波和靜電波,其頻率範圍為 10-3～106赫，統稱磁層電漿波。
基本介紹
- 中文名：磁層電磁波
- 外文名：electromagnetic wave in magnetosphere
介紹,阿爾芬波,離子和電子迴旋波,靜電波,其他波,
介紹
磁層內靜磁能大於電漿的動能，電漿的分布和行為主要受地球磁場的控制。同時，由於來自太陽的超聲速粒子源──太陽風的作用，磁層的形狀類似於彗星(見圖)。其背日面的尾部遠達幾百個地球半徑以上，稱為磁尾。在磁尾有電漿片和磁場為零的中性片。在向日面有一個邊界，稱為磁層頂。那裡，太陽風的動壓與磁層的磁壓相等，正常情況下磁層頂離地心約 8～11個地球半徑。高速的太陽風在磁層頂附近、離地心約14個地球半徑處形成一個無碰撞的弓形激波面,厚度較薄,僅相當於近地行星際磁場中的質子迴旋半徑。弓形激波面與磁層頂之間的過渡區稱為磁鞘，厚度為3～4個地球半徑。太陽風經過弓形激波面受到加熱和偏折，沿磁層頂流向磁尾。在磁緯度 70°～75° 的極區，有開放的磁力線，稱為極尖區。在低於極尖區緯度的區域中，磁場近似為偶極場的封閉磁力線。特別在磁緯度 60°以下，由封閉磁力線組成象麵包圈形狀的磁場，高能粒子被捕獲而形成輻射帶。以磁緯度 60°相對應的磁力線為分界，低能粒子組成的電漿有一個明顯的電子密度變化，這條分界線稱為等離子層頂。在等離子層頂以下為等離子層，其成分主要是在電離層中被光化電離的氫和氦。這些質量輕的電漿按擴散平衡分布，從F2層頂部擴展到離子層頂。磁層中的波和實驗室電漿的波有相同的基本特性，大致可分為阿爾芬波、離子和電子迴旋波、靜電波。
阿爾芬波
由於磁層中碰撞頻率很小，電漿可視為理想導電流體，它遵守阿爾芬的凍結原理，即電漿運動時磁力線與粒子一起運動。當波的頻率遠小於離子迴旋頻率時，波的速度主要決定於離子的質量和磁張力，如弦的傳播速度決定於弦質量密度和弦的張力一樣。阿爾芬波的速度遠小於光速，並且不隨波的頻率而變化。在從太陽到磁層的行星際空間觀測到的許多起伏場都是阿爾芬波，絕大部分是從太陽向外傳播的。在高緯度地面上觀測到的一種頻率在 0.001～10赫範圍的地磁脈動,就屬於這種沿地磁場傳播的阿爾芬波,也是磁流體波。因為與電漿一起振動的磁場是橫向振動，阿爾芬波與一般的電磁波相似，也具有橫電磁波的特性。只是波的磁場能遠大於電場能。
離子和電子迴旋波
隨著波的頻率的增加，阿爾芬波分裂為兩個偏振方向相反的圓偏振波（對於縱傳播），其中左旋偏振波對應離子迴旋波。頻率越接近離子迴旋頻率，則波的色散越明顯；在頻率等於離子迴旋頻率時發生諧振，如在等離子層頂和極尖區觀測到略低於離子迴旋頻率的離子迴旋波（頻率為0.5～100赫）。右旋偏振波對應電子迴旋波，又稱哨聲模電磁波，有更明顯的色散特性，波的群速度也小於光速。在磁層中哨聲模電磁波十分普遍，如在等離子層頂和等離子層內部沿地磁場傳播的電子哨聲波（頻率為100赫～1兆赫）和離子哨聲波（頻率為10～750赫）。此外，各種甚低頻發射,包括等離子層嘶聲、極光區嘶聲、合聲等（見磁層甚低頻發射），都屬於哨聲模電磁波或由它們組合的電磁湍流。在頻率接近等離子頻率時，如在電離層的高頻無線電波，有尋常波和非常波，遵守阿普頓－哈特里公式（見磁離子理論）。
靜電波
一般說來，阿爾芬波、離子與電子迴旋波都屬於電磁波，是橫波。在磁層電漿中還有一種受靜電力引起的電漿振盪波，它不同於前者，是縱波。在冷電漿中電磁波(包括阿爾芬波)可以傳播，而靜電波在電漿中不能傳播，只是一種振盪。這種振盪的恢復力是電漿中的電子離開平均位置時出現的靜電力。當有熱運動時,電子的速度便有不同的分布,如果較高速度的粒子數目小於較低速度的粒子數目，當波與粒子相互作用時波將因其能量交給粒子而受到衰減。反之，如果較高速度的粒子數目大於較低速度的粒子數目，則波將獲得能量而增大，導致不穩定性。磁層中的弓形激波和磁鞘中的弓形激波湍流就是寬頻的靜電波，頻率為200赫～30千赫；在極光區上空也有寬頻靜電湍流,頻率為10赫～10千赫；在磁尾電漿片的邊界上有寬頻的靜電噪聲,頻率為10赫～2千赫。這些靜電波在人造衛星上都能觀測到。利用衛星還能觀測到等離子層頂的兩種諧振的振盪，一種稱為下混雜諧振噪聲,頻率為4～18千赫；另一種稱為上混雜諧振噪聲，頻率為100～600千赫。
其他波
此外，在頻率很低時，波的相速度等於離子的熱運動速度，故離子具有聲波的速度，稱為離子聲波。還有一種由於密度梯度引起的漂移波，如同在重力作用下的空氣與水兩種流體的分界面上產生漂移波一樣。在磁尾中性電離處可觀測到離子聲波和漂移波。
