什麼是行星際磁場

太陽磁場隨太陽風向行星際空間延伸而形成的磁場。在空間飛行器進行直接探測以前，人們就曾預言，行星際空間存在着磁場。20世紀40年代末，H.阿爾文提出磁暴是帶有凍結磁場的太陽粒子流與地磁場相互作用引起的。爲了解釋宇宙線強度隨磁暴和太陽活動的變化，有人曾設想行星際空間存在能散射宇宙線粒子的湍流磁雲。1958年，帕克(er)在研究太陽風理論時，預言行星際磁場具有螺旋線狀位形。大多數太陽宇宙線事件有明顯的方向性，它們不是沿日地聯線，而是沿日地聯線偏西40°～55°方向進入地球上空。隨後，行星際空間的直接探測證實了帕克的預言，並且發現行星際磁場的扇形結構和隨機漲落，以及它在形成磁擾和調製宇宙線方面所起的重要作用。

螺旋線狀位形

由於太陽風等離子體和磁場凍結在一起，太陽風向外膨脹時帶出太陽磁場，同時由於太陽以角速度Ω旋轉，磁力線被彎曲成螺旋線狀。帕克的早期理論假定太陽風是均勻球對稱的，可求得磁力線方程爲：

式中γ、θ、嗘、 分別表示觀測點離太陽中心的距離、日球緯度和日球經度，v、爲太陽風速度，嗘、0和θ0爲常數。在太陽赤道面上(θ=0)，磁力線形狀如圖1。由於磁場無源，可求得行星際磁場的3個分量爲：

式中B0是太陽表面的徑向磁場強度，它是嗘、0和θ的函數，最大值約爲1高斯。由Ω=2.7×10-6弧度／秒，v、≈400公里／秒，可以估算出，在赤道平面上(θ=0)1天文單位距離處的徑向磁場強度Br≈2.5納特，磁力線與徑向的夾角ψ=arctg(Ωγ/v、)≈45°。“行星際監測臺” 1號衛星在1963年的大量觀測結果表明，行星際磁場在地球軌道附近的平均強度爲5～6納特，平均方向偏離日地聯線以西45°，同帕克的預言完全一致；垂直於黃道面的方向，分佈略有偏南的傾向。在60～70年代，“水手”、“先驅者”和“太陽神”等宇宙飛船在遠離地球的行星際空間的探測表明，太陽風速度在距太陽0.3～5.0天文單位幾乎是常數，Br分量直到離太陽8.5天文單位仍隨距離γ的平方衰減，而B嗘、分量直到離太陽 4天文單位距離處仍隨r-1衰減。這些觀測結果證明，行星際磁場的確具有螺旋線狀結構，而且在接近太陽的空間帕克給出的公式相當精確。但帕克的模型在離太陽較遠的空間同實測偏離較大。

扇形結構

威爾科克斯(ox)和內斯(N. )根據“行星際監測臺”1號衛星資料發現，行星際螺旋狀磁場具有扇形結構，即在幾天到幾個星期內，黃道面中觀測到的磁場方向交替地指向太陽或者背離太陽。在1個太陽自轉週期內，可以觀測到2個或 4個，偶爾也有 6個極性交替的扇形結構。扇形結構與太陽風高速流密切相關，在同一羣高速流內具有相同的磁場極性。飛船觀測表明，從一種極性向另一種極性的過渡，常常發生在幾分鐘到幾小時之內，極性變化的交界面稱爲扇形邊界。也就是太陽風高速流的前沿（見太陽風）。

扇形結構的上述特性是在黃道面內觀測的結果。如果把觀測資料按衛星的日球緯度來歸納整理，就會發現，在同一太陽半球內有一種主導的極性，這種主導極性與同一半球太陽極區磁場的極性相同。例如，在第20太陽活動周極大期1968年以後，在日球北半球，行星際磁場的主導極性是正的，即從太陽發出；相反，在南半球則是以指向太陽的負極性爲主。當太陽極區磁場極性隨太陽活動周而改變時，日球某一半球的行星際磁場的主導極性也會隨之而改變。

至70年代末，大多數行星際直接探測都是在黃道面附近進行的，只有“先驅者”11號在從木星飛向土星的路程中，有機會達到日球緯度+16°的空間。對行星際磁場探測表明，隨着它的日球緯度增加，正極性愈來愈起主導作用，而達到緯度+16°時，負極性完全消失，也就是說行星際磁場完全是正的極性，不再具有扇形結構。人們猜測，上述扇形結構特性同日球赤道面附近的電流片有關。在太陽極區存在開放型的磁場，提供了太陽風向外膨脹的機會，由於兩個半球磁場極性相反，在赤道區附近形成一個電流片，在它兩側行星際磁場極性相反。太陽磁極並不與自轉極相重，電流片也不同日球赤道面相重，傾角大致是15°。由於太陽自轉和不均勻結構的作用，電流片出現折皺，如同飛舞的芭蕾舞演員的裙子那樣，因此又有人稱它爲芭蕾結構。這樣，在黃道面內的觀測者就可能看到 2個以上的扇形結構。電流片的厚度估計不超過 10-2天文單位距離，電流的方向應與磁場垂直。因此，在太陽附近是環電流，而在遠離太陽的日球空間則接近徑向。電流片的電流強度估計爲維持太陽風中螺旋磁場所需的電流的 104倍。上述電流片的概念正在發展之中。

扇形結構與地球磁擾有密切關係，它甚至與天氣過程也有關係。電流片的存在也影響宇宙線粒子在日球中的輸運過程。

隨機漲落

除了上述大尺度結構之外，行星際磁場還出現隨機漲落，它是由太陽風的波動和湍流引起的(見太陽風)。隨機漲落的幅度均方根值可達磁場平均強度的30％，其典型功率譜如圖2。

h， Interplanelary Magnetic Field，Reviews Geophysics Space Physics，、Vol.17， p. 610，1979.