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磁頂，又稱磁層頂，是地球磁場與太陽風(fēng)作用形成的磁層的邊界層。這一邊界不僅存在于地球，也適用于所有磁化行星與其恒星風(fēng)的相互作用。磁層頂?shù)耐鈧?cè)直至弓形震波處被稱為磁層鞘，而其內(nèi)側(cè)則是磁層的邊界層。

歷史發(fā)展

1931年，Chapman和Ferraro在研究地磁暴時就預(yù)言地球磁層頂存在，并指出磁層頂大小受太陽風(fēng)動壓控制。當(dāng)時，他們認(rèn)為來自太陽的微粒流是間歇性的，僅發(fā)生在太陽活動期間，因而產(chǎn)生的地球磁層頂也具有間歇性。1951年，Bierman通過對彗尾分析表明，太陽風(fēng)是任何時候都存在的。這也就說明了地球磁層頂具有永久性特點(diǎn)。在隨后年代期間，地球磁層頂存在被大量觀測衛(wèi)星所證實(shí)。

基本特征

磁層頂電流片

磁層頂電流片概念最早起源于Chapman和Ferraro。根據(jù)早期封閉模型，假設(shè)太陽風(fēng)沒有磁場情況下，在太陽風(fēng)質(zhì)子和電子開始穿入地球磁場過程中，它們將各自受洛倫茨力作用而發(fā)生相反方向偏轉(zhuǎn)反射，形成了磁層頂電流。在磁層頂白天一側(cè)，磁層頂電流由兩個渦旋電流組成，南北半球各一個，其渦旋中心在極隙區(qū)處。從太陽方向往地球看去，北半球磁層頂電流逆時針旋轉(zhuǎn)，南半球磁層頂順時針旋轉(zhuǎn)。根據(jù)簡單平面磁層頂模型可知，磁層頂電流片厚度大致為1個離子回旋半徑。不過，最初的模型過于簡單，并非自洽的，而且忽略了太陽風(fēng)磁場和磁層內(nèi)等離子體存在。根據(jù)實(shí)際觀測，磁層頂厚度大致為幾個到幾十個離子回旋半徑，從幾百公里到上千公里。

磁層頂位形

在近地空間磁赤道面上，磁層頂形態(tài)大致可用橢圓方程來描述。然而，近地空間磁層頂位形并非呈旋轉(zhuǎn)軸對稱形狀。根據(jù)磁層頂穿越數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，高緯磁層頂尺度要比低緯磁層頂尺度小。然而，高緯磁層頂是否存在內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，他們的結(jié)論并沒有達(dá)成一致。根據(jù)Safrankova等人分析結(jié)果，表明高緯磁層頂在極隙區(qū)附近存在內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，在通常太陽風(fēng)條件下，其內(nèi)凹深度大約為2.5 - 4 Re左右。根據(jù)Zhou和Russell分析，得到并無跡象表明高緯磁層頂位形存在內(nèi)凹結(jié)構(gòu)。根據(jù)以往磁層頂數(shù)值計(jì)算結(jié)果，均表明高緯磁層頂存在內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，其三維內(nèi)凹結(jié)構(gòu)。不過需要指出的是，在六七十年代磁層頂數(shù)值計(jì)算并沒有考慮磁層內(nèi)部電流對地球磁場影響。對于遠(yuǎn)磁尾磁層頂位形，大致可看成旋轉(zhuǎn)圓柱面形狀，在各種太陽風(fēng)條件下，其圓面半徑大致在20到40 Re之間。通過對Pionner 7 遠(yuǎn)磁尾磁場觀測結(jié)果分析，Villante得到磁尾磁層頂位形可延伸到1000Re左右。

根據(jù)以往大量磁層頂穿越數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在通常太陽風(fēng)條件下，磁層頂日下點(diǎn)距離大約在10 - 11Re之間；在極弱的太陽風(fēng)條件下，可達(dá)14Re；在極端太陽風(fēng)條件下，磁層頂可被壓縮到6.6Re以內(nèi)。低緯磁層頂位形主要受太陽風(fēng)動壓和行星際磁場南北分量影響。根據(jù)以往大多數(shù)低緯磁層頂經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?dāng)太陽風(fēng)動壓增加時，整個磁層受到壓力增強(qiáng)，使磁層頂尺度減小，但磁層頂形狀基本保持不變。南向行星際磁場可通過磁重聯(lián)方式剝蝕白天一側(cè)磁通量并傳輸?shù)奖酬柮妫瑥亩斐砂滋煲粋?cè)日下點(diǎn)距離減小磁尾磁層頂張角增加。南向行星際磁場對日下點(diǎn)侵蝕過程具有飽和性，即當(dāng)南向行星際磁場強(qiáng)到一定程度之，日下點(diǎn)距離基本不再隨著南向行星際磁場增強(qiáng)而減小。大多數(shù)低緯磁層頂經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫奖毕蛐行请H磁場基本不影響磁層頂日下點(diǎn)距離，但對于北向行星際磁場是否影響磁尾磁層頂張角，結(jié)論不一。對高緯磁層頂位形來講,由于地磁偶極轉(zhuǎn)軸傾角擺動會造成整個地球磁場擺動，對極隙區(qū)位置及南北方向磁尾磁場不對稱性改變特別明顯，從而影響高緯磁層頂位形。

研究方向

理論模型

對于磁層頂位形研究，理論模型要比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)展的早，主要集中在60年代以及70年代初期。這些理論模型主要基于磁層頂兩邊太陽風(fēng)動壓（或磁鞘壓強(qiáng)）和磁層頂內(nèi)側(cè)磁層磁壓相互平衡理論。這些理論模型大多可給出較好的全球磁層頂基本形態(tài)，為磁層頂位形經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)展和完善提供了方向，但定量結(jié)果大多與實(shí)際觀測差別比較大。

理論模型之間結(jié)果差別，主要源于所采用地球磁場模型不同、計(jì)算近似方法不同或其它的相關(guān)假設(shè)不同。值得提出的是，在1999年，Sotrielis和Meng采用了Tsyganenko 1996磁場模型來計(jì)算磁層頂位形，該模型能夠反映太陽風(fēng)及地磁指數(shù)對磁層頂位形影響，在計(jì)算過程中不僅考慮了磁層頂表面電流影響，同時還考慮了越尾電流、環(huán)電流和場向電流影響。對于磁層頂位形理論計(jì)算，還有年代之后更加復(fù)雜的數(shù)值模擬。