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行星磁层:天文学教程(上)

时间:2023-08-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:图6-23火星的磁层由于木星处的太阳风动压较小、行星磁场很强,它的磁层延展范围很大,磁层顶朝太阳侧离其中心的距离随太阳活动而改变。图6-24木星磁层土星磁层大体上与木星磁层相似,但又有差别。土卫六表面磁场上限约4 nT,磁矩不超过地球磁矩的0.00001,由于它大气浓厚而有类似金星的磁层。图6-29在木星磁场中的木卫三的磁层

行星磁层:天文学教程(上)

水星的磁层较简单(见图6-21),磁层顶朝太阳一侧离水星中心的距离为水星半径的1.5倍,但没有辐射带。

图6-21 水星的磁场和磁层

金星虽然没有可测出的磁场,但有浓厚大气和电离层,仍阻碍太阳风,因而有弓形激波面;还在太阳风中形成一个特别空间区域,也以“磁层”称之,代替磁层顶而有“电离层顶”,其高度为200~300 km,背太阳侧有截面半径约为4个金星半径的磁尾(见图6-22)。

图6-22 金星的磁层

火星的磁场弱、大气稀疏,火星磁层范围更小,磁层顶更近火星表面,弱的弓形激波面离火星中心为1.59~1.74个火星半径(见图6-23)。

图6-23 火星的磁层

由于木星处的太阳风动压较小、行星磁场很强,它的磁层延展范围很大(见图6-24),磁层顶朝太阳侧离其中心的距离随太阳活动而改变。由于它们自转快而惯性离心力大,形成扁长的等离子电流片。木卫一的火山喷发物及其离子散布在轨道附近,形成轮胎等离子体云环。木星辐射带的辐射比地球辐射带强5000~10000倍。类似于地球的极光,沿木星极区磁力线流入的高能离子使木星大气分子和原子被激发或电离而产生极光。

木星有多种射电:峰值特强的22 MHz“躁暴(noise burst)”、稳定的分米波射电、千米波射电、毫米波射电。

图6-24 木星磁层

土星磁层大体上与木星磁层相似,但又有差别。土星磁层范围比木星磁层小。图6-25表明土星磁层内的特征,其中的电子和离子因“走失”到广延的环系中而数密度较小。土星磁层含有中性气体和等离子体,也含有高能带电尘粒(在环系面),它们大多在图中所示的轮胎状环和等离子片中,只是分布不均匀,边界不像图中那么明锐。巨大的氢原子环从土卫六轨道之外向内到土卫五轨道,氢原子大部分来自土卫六的大气,土卫六可能也供给磁层氮原子和氮离子。氢分子环形成光环上下的稀疏大气,氢分子可能是太阳紫外辐射离解了光环的水冰而产生的。

土星也有类似于木星的辐射带(图6-25中未画出),从辐射带漏出的等离子体形成土星的内、外两个等离子体片。在7倍土星半径外,等离子体片的磁场与土星偶极磁场是同数量级的。

土星的外部磁场和磁层显示很大变化,且受土星自转、等离子体源、太阳风影响,磁层内的电流片较薄且更延展。一个新辐射带恰在云顶上空延展达D环(土星环之一,由大量以水冰为主的众多小颗粒组成、绕土星运转的环状带)内界,比主辐射带小且能量低,而以前未预料到被捕获的离子能够保持在环系之内。土星的辐射带内有很多洞,这是被捕获的离子与卫星、尘埃环、气体碰撞所致。(www.xing528.com)

图6-25 土星磁层

从土星磁层来的高能粒子撞击极区大气的原子和分子,产生紫外极光(见图6-26)。土星射电的频率从3kHz到12 MHz,在波长为2 km左右有射电强度峰。土星射电可能来自极光很强的极区,其变化周期(10h39.4m)反映了土星内部的自转(系统Ⅲ)。由于土星光环内存在大量冰物质,有巨大的氢原子(来自土卫六大气)环,还有氢分子(来自光环水冰)环。

图6-26 土星的极光

天王星由于侧向自转及特殊磁场,其磁层很不对称,在一个自转周期内有很大变化,背太阳侧磁力线扭曲,磁尾延展达23个天王星半径之长,并随之摆动(见图6-27)。

海王星有广延的磁层(见图6-28)。由于海王星的磁轴与自转轴交角大,且磁轴随自转而绕自转轴回旋,磁层的位形不断变化。大体说,向太阳一侧的上游弓形激波面与海王星的距离约为海王星半径的35倍,磁层顶离海王星约25倍海王星半径,海王星背后拖着变化的、很长的扭曲磁尾。海王星的很多卫星和环都在磁层内,磁层内的带电粒子反复扫过卫星和环的轨道,很多带电粒子被卫星和环物质吸收,而大部分有效地从磁层“抽掉”。其磁层捕获的带电粒子主要是电子和质子,它们的平均数密度每立方厘米不到1.4个,作为对比,天王星带电粒子是海王星的3倍,而木星则达3000倍,因而海王星辐射带要弱得多。

图6-27 天王星的磁层

图6-28 海王星的磁层

伽利略飞船探测到木卫三存在内部产生的磁场,且在木星的磁层内,其赤道场强约750 nT,没有上游弓形激波面和磁尾,这是太阳系的特例(见图6-29)。

土卫六表面磁场上限约4 nT,磁矩不超过地球磁矩的0.00001,由于它大气浓厚而有类似金星的磁层。月球虽然没有显著的全球磁场,但月岩有残存古磁场(几百纳特斯拉)。

图6-29 在木星磁场中的木卫三的磁层

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