第六章地球磁层
磁层，在天体周围由空间等离子体的包裹，并受天体磁场控制的区域。许多天体都具有磁场，绝大部分宇宙物质以等离子体形式存在，所以磁层在宇宙中是很普遍的。磁层的概念是英国的S.查普曼于20世纪30年代首先提出的。磁层（magnetosphere）一词最早是戈尔德(T.Gold)在年研究太阳风与地球磁场相互作用时使用的，相对地球的气层或水层，当时专指地球磁层，随着对其他天体磁层的探测和研究逐渐增多，磁层一词现在泛指所有天体的磁外包裹空间。
§1地球磁层概论
20世纪50～60年代，人造地球卫星对地球高空带电粒子区域的探测，证实了地球磁层的存在。人造地球卫星的观测表明，在磁层内朝着太阳的一面，磁场的大小和方向是相对稳定的。在磁鞘外（约13～14个地球半径以外），存在一个倾斜于黄道面的磁场，场强一般为4～7纳特。它主要来源于太阳产生的行星际磁场。
磁层由磁层顶、等离子体幔、磁尾、中性片、等离子体层、等离子体片等组成。在磁层顶外还存在磁鞘和弓激波。地球磁层始于距地面约千米处，向外延伸至磁层顶。磁层顶为磁层的外边界，向阳侧呈现一个椭球面，地球位于它的一个焦点上；背阳侧是略扁向外略张开的圆筒形，该圆筒所围成的空腔称磁尾。
在平静的太阳风中，磁层顶在向阳侧距地心约为10个地球半径，在两极约为13～14个地球半径，在背阳侧最远处可达个地球半径。太阳激烈扰动时，导致太阳风密度和速度大为增大，磁层也随之大大被压缩，这时向阳侧的磁层顶可能离地心只有6～7个地球半径。即使在太阳宁静时，地球轨道附近的太阳风平均速度也高达～千米/秒，当受到磁层阻挡时，在磁层的上游方向约几个地球半径处，形成一个相对磁层顶静止的弓激波与磁层顶之间的空间，形成磁鞘，其厚度为3～4个地球半径（见图）。
在磁尾中存在着一个特殊的界面，在界面内边，磁力线突然改变方向，此界面称中性片（电流片）。在向阳侧正子午面上，有两个点叫中性点，南北半球各一个，位于纬度约60°处。在中性点附近，由于磁场比较弱，磁鞘内的带电粒子可一直深入到地球附近，形成漏斗状的极尖区或称极隙区。地球磁层内充满着等离子体，比较密集的区域有中性片两侧的等离子体片、磁层顶内侧的等离子体幔、等离子体层以及由高能带电粒子组成的辐射带。太阳有时喷发密度和速度都比太阳宁静时大得多的等离子体流，它引起地球磁层剧烈的扰动，即为磁层暴。这时磁层被压缩，地磁场也随之发生剧烈的变化，即发生磁暴或磁层亚暴。磁扰时导致电离层电子密度异常，称电离层暴，此时短波无波无线电通讯将受到严重干扰。与地球磁层类似，在行星周围也会形成磁层，称行星磁层，如木星磁层、土星磁层、水星磁层、火星磁层等。行星磁层的形成和结构形态，主要取决于行星磁场的强弱、分布及其与太阳风的相互作用形态。
地球地面上千米到大气顶界之间的稀薄电离气体层。层内电子和离子的运动受地球磁场支配。地球磁场，简言之是偶极型磁场，近似于把一个磁铁棒放到地球中心，使它的Ｎ极大体上对着南极而产生的磁场状态。当然，地球中心并没有磁铁棒。
地球磁场不是孤立的，它受到外界扰动的影响，宇宙飞船就已经探测到太阳风的存在。太阳风是从太阳日冕层向行星际空间抛射出的高温高速低密度的粒子流，主要成分是电离氢和电离氦的原子核。
在太阳风的压缩下，地球磁力线向相对远离太阳一面的空间延伸得很远，形成一条长长的尾巴，称为磁尾。在磁赤道附近，有一个特殊的界面，在界面两边，磁力线突然改变方向，此界面称为中性片。中性片上的磁场强度微乎其微，厚度大约有千米。中性片将磁尾部分成两部分：北面的磁力线向着地球，南面的磁力线离开地球。
年发现，在中性片两侧约10个地球半径的范围里，充满了密度较大的等离子体，这一区域称作等离子体片。当太阳活动剧烈时，等离子片中的高能粒子增多。由于太阳风以高速接近地球磁场的边缘，便形成了一个无碰撞的地球弓形激波的波阵面。波阵面与磁层顶之间的过渡区叫做磁鞘，厚度为3～4个地球半径。
地球磁层是一个颇为复杂的系统，其中的物理机制有待于深入研究。磁层这一概念近来已从地球扩展到其他行星。甚至有人认为中子星和活动星系核也具有磁层特征。
§2太空天气
太阳是距我们最近的一颗恒星，它的光芒惠泽了地球上的万事万物。除了阳光以外，太阳还每时每刻往外喷射着高速带电粒子流，人们形象地称之为“太阳风”。它有时十分强劲，产生名副其实的“太阳风暴”。当太阳风暴袭击地球时，幸亏有地球磁场作为天然盾牌，我们才得以安然无恙。
空间天气是指发生在太阳表面、行星际直到地球空间环境(磁层、电离层、热层和中高层大气)中，可影响天基和地基的技术系统正常运行，甚至危及人类的活动、健康和生命。这种空间灾害性天气事件，无论是在太阳活动高年还是低年，都经常发生。只是近年来随着社会的进步，人们对航天、通信、导航、国家安全等高科技领域的需求日益迫切，空间灾害所带来的严重威胁和巨大损失，越来越引起人们的重视了。从现在的认识看，影响地球和人类生存发展的环境包括4个层次：固体地球、海洋、大气和空间，它们相互密切联系，共同构成地球环境的完整的科学体系。
空间天气研究涉及从太阳活动驱动源的巨大能量和物质的突然释放，通过日冕和行星际空间的传输，在地球空间系统中的耗散、传输和转换，最终引起地球空间环境的灾变。它是一个涉及太阳物理、行星际物理、磁层物理、电离层物理、中高层大气物理、地球物理、等离子体物理以及非线性科学、信息科学、材料科学和计算机科学等多学科交叉的重大前沿科学领域；它跨越由物理性质不同的空间区域组成的日地耦合系统，是地面无法全模拟的特殊实验室，是多种间断面、多种非线性和激变过程共存的系统，充满着自然科学经典理论无法解决的新问题，是有待探索的重大基础科学前沿。
人们发现了日冕物质抛射和耀斑的一系列新的特性和规律，发现了这些太阳活动在日地空间传播并影响地球空间天气的一些规律，并通过数值模拟进行了详细的研究，提出了相应的理论模型。根据观测和理论模型，初步建立了空间天气的预报方法和预报体系。空间天气学迎来了朝气蓬勃的发展时期。
空间天气学的基本科学目标，是把太阳大气、行星际和地球的磁层、电离层和中高层大气作为一个有机系统，按空间灾害性天气事件过程的时序因果链关系配置空间、地面的监测体系，了解空间灾害性天气过程的变化规律。当前开展的主要研究涉及：太阳活动过程和物质输出结构；太阳风暴的形成、演化以及和地球的相互作用；地球空间系统的空间灾害性天气过程的因果链模式等方面。这些都是空间科学中面临巨大挑战的难题。
一、太阳风
太阳风是一种连续存在，来自太阳并以～千米/秒的速度运动的等离子体流。这种物质虽然与地球上的空气不同，不是由气体的分子组成，而是由更简单的比原子还小一个层次的基本粒子——质子和电子等组成，但它们流动时所产生的效应与空气流动十分相似，所以称它为太阳风。
太阳风的密度与地球上的风的密度相比，是非常非常稀薄而微不足道的，一般情况下，在地球附近的行星际空间中，每立方厘米有几个到几十个粒子。而地球上风的密度则为每立方厘米有2.7X个分子。太阳风虽然十分稀薄，但它刮起来的猛烈劲，却远远胜过地球上的风。在地球上，12级台风的风速是32.5米/秒以上，而太阳风的风速，在地球附近却经常保持在～千米/秒，是地球风速的上万倍，最猛烈时可达千米/秒以上。太阳风从太阳大气最外层的日冕，向空间持续抛射出来的物质粒子流。这种粒子流是从冕洞中喷射出来的，其主要成分是氢粒子和氦粒子。太阳风有两种：一种持续不断地辐射出来，速度较小，粒子含量也较少，被称为“持续太阳风”；另一种是在太阳活动时辐射出来，速度较大，粒子含量也较多，这种太阳风被称为“扰动太阳风”。
我们把太阳分为六层，由内往外依次命名为：日核，辐射区，对流层，光球，色球，日冕。日核的半径占太阳半径的四分之一左右，它集中了太阳质量的大部分，并且是太阳百分之九十九以上的能量的发生地。光球是我们平常所见的明亮的太阳圆面，太阳的可见光全部是由光球面发出的。而日冕位于太阳的最外层，属于太阳的外层大气。太阳风就是在这里形成并发射出去的。
太阳风的组成和太阳的日冕组成完全相同。73％的是氢，25％的是氦，还有其他一些痕量杂质。目前还没有精确的测量结果。在地球附近，太阳风速为～千米/秒。平均值为千米/秒。大约千米/秒的物质被以太阳风的形式从太阳逃逸。这同太阳光线的等价质量相比是很小的。如果把太阳光线的能量换算成质量，大约每秒钟太阳损失4.5Tg(4.5×kg)的质量。因为太阳风是等离子体，所以太阳磁场被它承载。
太阳风的发现是20世纪空间探测的重要发现之一。经过近40多年的研究，对太阳风的物理性质有了基本了解，但是至今人们仍然不清楚太阳风是怎样起源和怎样加速的。太阳风是怎样得到等离子体的供应及能量的供应的问题是空间物理学领域中经长期研究仍悬而未决的一大基本课题。当太阳风携带的质子冲击到上层大气层，就会分解臭氧层中的氮气分子，形成氮氧化物。这些氮氧化物可以存在几周甚至几个月之久，因而足以破坏高度为15～50千米的上层同温层中9％的臭氧。因而，太阳风暴对臭氧层的总体破坏还并不是特别严重。当然，太阳风也不会总给人类带来灾祸。许多科学家或者科幻作家都在设想，可以利用太阳风来提供能量。
简单的说，太阳风指的是从太阳大气最外层的日冕向空间持续抛射出来的物质粒子流。太阳风的得名还和彗星有关。当人们通过先进的观测手段发现彗星离太阳越近，彗发就越明显，彗尾就越长，而且彗尾的方向总是背对着太阳的时候，就开始猜测，也许太阳会放射出一种类似于风的东西，对彗星产生影响。此后的年，美国人造卫星上的粒子探测器，探测到了太阳上有微粒流从日冕的冕洞中发出，因此美国科学家帕克将其形象的命名为太阳风。
二、空间天气与科技进步、社会发展
空间天气关系社会发展，是20世纪90年代人们才认识到的新事实。早在年，英国人Barlow就注意到极光出现时电报受干扰的现象。第二次世界大战期间，有关政府为发展无线电通信开始资助类似的空间天气预报中心，但作为一种科学的认识提到议事日程上，还是年3月特大空间灾害性天气事件之后的事。如前所述，那次事件造成了十分广泛的影响，第一次使人类认识到空间灾害性天气会给人类的航天、通信、导航、电网、宇航员健康与空间安全等高科技领域的活动带来巨大损失和严重威胁。
我们看到，空间天气（学）关系社会发展、科技进步和空间安全已成为人们共识，它是为人类进入空间时代、发展空间技术，这是其成为当今世界科技热点之一而蓬勃发展的根本原因。
自年人类进入空间时代开始，已发射大约个航天器，目前在轨运行的近个，未来10年也将有近千颗卫星升空。人类社会发展越来越依赖空间技术系统，空间卫星技术将变成大多数国家都用得起、都会用、都要用的技术。由于空间技术系统的脆弱性、昂贵性、长效性、重要性和高风险性，如何减轻或避免空间天气对这些庞大的卫星系统和相关技术系统带来的重大损伤，保障它们的安全、良好地运行和效能的最大发挥，成为一种紧迫需求。
十多年间，由于众多国家和国际组织把空间天气领域作为一种国家行为和国际行为付诸实施，使之迅速成为国际科技活动的热点之一。在这种态势下，空间物理进入空间天气学发展新阶段，日地空间物理科学与空间技术应用走向结合。
空间天气的研究、建模和预报有了长足进步。特别是在基本物理过程，如太阳风的加热、加速、磁重联、粒子加速等研究方面有了重大进展；有关太阳、行星际、磁层、电离层和中高层大气近20种重要空间天气建模研究取得进展，并向业务化需求过渡。
三、空间科学
主要利用空间飞行器来研究发生在宇宙空间的物理、天文、化学和生命活动等自然现象及其规律的科学。空间科学与天文学、地球物理学等学科有着悠久的历史渊源，但作为一门独立的综合性科学领域，是在空间技术有了巨大的进展、人类开创了空间时代的条件下，才形成和发展起来的。
自古以来，人类就向往着宇宙空间。在漫长的岁月里，先前学者倾注了很大的精力去观测和研究发生在地球周围空间（近地空间）、太阳系空间及更遥远的宇宙空间的自然现象。如早期对地磁、天体运行、极光、彗尾、太阳黑子、太阳耀斑和超新星爆发的观察等，对陨石进行化学分析，对宇宙物质的某些化学组成的光谱测定等，这些研究积累了人类认识宇宙的宝贵知识。并对地外生物和地外文明也开始探索。这些都为空间科学奠定了基础。
50年代以后，在大量地面台站、气球和火箭观测及长期理论研究的基础上，迫切要求各相关学科之间密切配合，要求全球性的协同观测以及发展新的探测手段。年，在国际地球物理年大会上，美国和前苏联宣布将要发射人造地球卫星以增强对地球物理学的研究。年，前苏联首次发射了人造地球卫星，这标志着人类进入了空间时代。从此，许多国家和团体发射了大量的空间飞行器并进行了广泛的多学科的研究，促使空间科学迅速发展。发现了地球辐射带、环电流，证实了太阳风、磁层的存在。
空间科学按照研究对象及研究手段进行学科分类，主要有：空间物理学、空间天文学、空间化学、空间地质学和空间生命科学等学科。
空间物理学主要研究发生在日球空间范围内的物理现象的学科。它的研究对象，包括太阳，行星际空间，地球和行星的大气层、电离层、磁层，以及它们之间的相互作用和因果关系。
日地物理学（即日地关系）是空间物理学的主要部分，是太阳物理学和地球物理学之间的边缘学科。它研究太阳能量的产生、辐射（包括电磁辐射和带电粒子辐射，尤其着重于变化部分）、在日地空间的传播和对地球所产生的影响等整个过程。
日地物理学的发展，要求把整个日地系统作为一个有机的整体，进行定量的、综合性的研究。空间物理学还包括太阳—行星系统的研究。经过比较研究，可更好地理解日地系统的物理过程，从而取得对作为一个整体的太阳系的深刻理解。如地球磁层的概念，同水星、木星、土星的磁层比较；地球的大气结构与金星、火星、木星的大气比较；地球的电离层与金星、木星、土星的电离层比较等。
空间天文学的诞生，使天文学又出现了一次大的飞跃。所研究的星空迥异于地面光学和射电天文观测到的星空。可以说，现代天文学的成就，很多都与空间天文学的发展有关。它改变了对宇宙的传统观念，对高能天体物理过程、恒星和恒星系的早期和晚期演化、星际物质等的了解，加深了对宇宙的认识。
空间化学的研究发生在空间的化学过程、宇宙物质的化学组成及其演化的一门学科，又称宇宙化学。在地球大气层和行星大气层中，有着复杂的化学过程，包括光化学反应过程。
空间地质学是研究月球、行星及其卫星等天体的物质成分、结构，以及形成和演化历史的一门学科。月球探测器系列和“阿波罗”飞船对月球的土壤、岩石、矿物等进行了综合研究，编制出了月球地质图和构造图。月球是人类在地球以外研究得最充分的天体。其次就是对金星、火星的探测，但仅限于对它们的表面的了解，如地形、山脉、裂谷、火山、峡谷和土壤分析等。空间地质学还是一门年轻的学科。
空间生命科学是研究在宇宙空间的生命现象和探索地外生命、地外文明的一门科学。在空间时代，人和生物在宇宙空间的活动成了现实。但是，生命在宇宙空间长期生存，就有着需要研究的科学问题。
在科学方面，空间科学的发展将使人类对地球周围环境及其变化规律和机制有更加深入和全面的了解，从而使对日地物理现象能作更加可靠的预测；同时，将对天体物理现象、恒星和宇宙的演化、元素的起源、生命的起源等最基本的科学问题，得到启发，加深认识，为下一次科学上的飞跃做出贡献。
科学技术的进一步发展将使以上这一规模巨大的课题逐步展开。在空间或月球上，建立一个长期性的、能容纳若干人的基地，将来也不是不可能实现的。空间的开发和利用向人类展示了巨大的前景。
§3地球磁层空间
由地磁场和行星际太阳风相互作用形成包附着地球的地球磁层空间。任何太阳活动都会使磁层的尺度和性质发生变化，特别是发生大的爆发时，可以引起非常大的磁层空间暴。但是，这些空间环境的变化规律对人类来说仍然存在许多未解之谜。
在高空中受到太阳风的影响，地磁场的磁力线都向后弯曲，地磁场朝太阳方向的最前沿形成一个包层，并向着背太阳方向延伸。这个被太阳风包裹的、彗星状的地磁场区域就是地球磁层空间。
一、弓形激波
行星际空间和星际空间中充满着完全电离的稀薄等离子体，粒子平均自由程非常大。这些无碰撞的等离子体通常以超声速运动，形成太阳风和星风。当太阳风和星风遇到存在磁场的行星和恒星的阻挡时，在界面处将形成各种间断面，如地球的磁顶层和弓激波、太阳系的日球顶层等。弓形激波是无碰撞的激波，上游是未扰动的超声速太阳风，而下游的等离子体以亚声速绕过地球的磁顶层。无碰撞激波是等离子体物理、空间物理和天体物理学中的重要基础性课题，对它的深入研究有助于了解激波本身的产生、演化、耗散机制以及各种行星际结构与激波的相互作用问题。
实际上弓形激波厚度仅为几百千米。当我们只关心激波位形时，或只关心激波前和激波后的物理变化时，把激波作为一个没有厚度的界面，我们放眼的尺度比激波厚度大得多，就可以这样做。但迟早我们要注意激波内部，即激波结构，这样就深入到激波形成的物理机制。研究地球弓形激波的形成把我们引导到一个极丰富的物理世界中去。
地球弓形激波与普通气体激波不同，它的耗散效应不是由粒子碰撞产生的，它的厚度也不是粒子平均自由程的量级。地球附近太阳风等离子体平均自由程大于公里，激波厚度远小于粒子平均自由程。在即拨厚度范围粒子没有碰撞，这激波称为无碰撞激波。那么是什么样的耗散机制在无碰撞激波中限制了激波面无限变陡呢？无碰撞激波理论需在等离子体中考虑波和粒子的集体相互作用。在弓形激波过渡区由于无碰撞，等离子体不是热平衡态，激发等离子体波并发育成湍流，通过集体相互作用粒子把能量传给波动，波动又把能量传给另一种粒子，这一过程也等效于碰撞，即把能量和动量由一种粒子转移给另一种粒子。波和粒子集体相互作用，给出一种等效的耗散作用。
地球弓形激波在地球参考系看它是不动的，但在太阳风参考系坐标中它是传播的，太阳风等离子体穿过激波后到了激波下游，它是磁层顶和激波之间的区域，这个区域的特点是磁场和等离子体都有很强的扰动，既表现出高马赫数激波下游的流体特征。
二、磁层顶边界
磁层的外边界称为磁层顶（magnetopause），磁层顶也就是地球空间的外边界，在磁层之外的空间称为行星际空间。地球磁层的空间范围：向阳侧磁层顶的平均位置，大约离地心11个地球半径。
现代科学揭示,太阳风是从太阳表面的日冕洞口源源喷射出的炽热等离子体,其主要成分是电子和质子,其温度在℃以上。根据年来的观察,以11年为周期的太阳风暴从未出现偏差。最近一次太阳风暴发生在1年,科学家当时观察到一个体积与14个地球相当的等离子体云团,以万～万千米/小时的速度,从太阳表面喷射出来,扫过地球,席卷了整个太阳系空间。
地球磁层是一个障碍物，太阳风必须沿着磁层顶绕过它。如果超声速太阳风直接入射到磁层顶，太阳风在磁层顶引起的扰动向太阳风流来的上游以声速传播，实际上扰动信号却被太阳风携带传向下游，这是气体动力学早就有的经验。超声速的气流中，声音讯号只沿流速方向一个小角度内传播，上游是听不到声音的。这样迎面吹来的太阳风直到撞到磁层顶表面都是均匀未受扰动的。但是太阳风既然要绕过磁层顶，在磁层顶任意点，太阳风发向速度必须为零，这就与前面计算磁层顶所需的太阳风动压力矛盾。这一矛盾预示着在磁层顶前面存在着激波，被称为弓形激波或船首激波。弓形激波的存在使这一矛盾得到解决。
三、磁层等离子体物理
研究的主要内容为磁层能量传输过程和磁层空间暴机理与模型。扰动太阳风每秒钟向磁层输入5×焦耳的能量，引起地球磁层剧烈扰动，产生磁暴、磁层亚暴、磁层高能粒子暴。磁层能量传输与磁层空间暴一直是空间物理学研究的前沿核心领域。
太阳风压缩地球磁场，把地磁场限制在一个空腔范围内。当太阳风流过磁层顶时，一部分能量、动量和质量会传输到磁层里来，从而引起磁层内部等离子体的大尺度对流运动，与运动相伴随的是大尺度磁层电场和电流。这些大尺度结构和过程表现了磁层的主要特征，决定着磁层粒子运动的轨迹和等离子体波传播的特性，磁层小尺度结构和过程也是在这种大尺度背景中发生的。
以太阳风－磁层（包括地磁）－电离层耦合过程为主线，研究太阳风与磁层相互作用，磁层空间暴的产生机制，暴时磁层－电离层耦合过程，太阳风/磁层-地磁链的联系过程。拟解决的关键问题是：太阳风－磁层－电离层耦合过程中多时空尺度物理过程，包括：太阳风通过磁层边界层的能量输运过程；磁暴期间环电流粒子的成分、来源和加速问题；暴时磁层－电离层耦合动态过程；以及如何从地面观测中区分有太阳风和磁层扰动激发地磁脉动。
太阳风－磁层相互作用：重点研究不同行星际条件下磁层边界层中小尺度结构；不同行星际条件下磁层的能量传输区域和传输途径及其对磁层电场、磁层对流和磁层—电离层电流体系的影响；
磁层空间暴的产生机制：重点研究磁层亚暴产生过程和触发位置；研究暴时等离子体片能量粒子成分、通量、能谱等特征，以及它们在磁暴和亚暴过程中的作用；研究磁层相对论电子和高速流的产生机制，及与亚暴和磁暴的关系；
磁层－电离层耦合过程：研究磁暴时环电流不同成分的强能粒子之间的关系，探讨电离层在磁暴和亚暴形成与演化过程中的作用；暴时磁层－电离层电流体系，及相应地磁场变化过程；
太阳风-磁层-地磁链的联系过程：太阳风ULF波动的磁层进入和传播过程，磁层高速流产生的Pi2特性，近地太阳风扰动与地磁活动的联系。
地球磁层亚暴过程中，大量的带电粒子像疾风骤雨一样从地球磁尾（即背离太阳一侧）向地球冲过来。这些电子能够导致卫星充电，严重时可以将卫星充电到几万伏高压，最后导致卫星放电被烧毁。
地球磁暴过程中，围绕地球形成了一个巨大的电流环，其强度可以达到几百万安培。这个巨大的电流通过地磁场的剧烈变化可以在地面上感应出巨大电流，将地面上输油管道，供电线路烧毁。
所以地球空间并不是静止的，它是太阳活动的影响下经常处于剧烈的扰动状态中，称为地球空间暴。其中磁层空间暴(包括磁层亚暴，磁暴和磁层粒子暴等)是地球空间暴的最重要部分，也是一些其它地球空间暴的产生源头。
四、磁层顶磁场湮灭和重联
磁层顶是太阳风压缩地磁场形成的地磁空腔边界，是作为磁场切向间断面计算出来的，一侧是地磁场而无等离子体。实际太阳风携带着行星际磁场，撞击到地磁场上，于是立刻提出问题：两个磁场在边界上如何配置？为了说明磁场在有些情形会互相连结起来，并产生重大的影响，首先讨论两磁场真空迭加情况：一个是偶极子场（地磁场）一个是均匀场（行星际磁场）两者迭加，结果是当行星际磁场北向时，磁层磁力线时闭合的，有一个边界将两者分开。而当行星际磁场南向时，磁层磁力线是开放的并在磁场为零的地方形成两个χ型中性点。这时再考虑太阳风等离子体流动，容易想象，太阳风扫过，地球向日面磁场被压缩，而背日面的磁力线就像被风吹歪的一缕炊烟，拖出长长的尾巴--地磁尾，行星际磁场恰恰在χ型中性点处与地磁场合并。
磁场重联究竟在哪一点上发生并不重要，它可能是随机的，普遍相信与等离子体不稳定性有关系。观测上希望测量到等离子射流以证实重联的发生，但是由于测量上的困难，到目前尚没有直接证据说明行星际磁场与地球磁场在磁层顶的重联。
五、地球磁场结构与磁层发电机
地球磁层空腔内有许多复杂的结构在后面介绍，它主要磁场形态的变化需要先了解一些。在地球表面上我们丝毫感觉不到太阳风作用磁层顶引起磁场有什么变化，因为太阳风与磁层顶相互作用引起的电流，产生磁场对地面影响是极其微弱的。探测表明在3～6RC范围内，地磁场近似位偶极子磁场，6RC以外才明显的偏离偶极子磁场。磁场主要的变形来自于磁层电流系，磁层顶是一个间断面，磁场在这里跃变，因而磁层顶是一个电流层。太阳风把由地球极盖区发出的磁力线拖到地球背日面形成磁尾，因此在磁尾赤道面上也必然是一个电流片，一般也称中性片。因为南北半球磁力线在这上面方向相反，形成一个磁中性片。磁层内磁场分布主要就是磁层顶电流和磁尾中性片电流给出。磁层顶电流产生磁场抵消了偶极子场伸向磁层顶外面的部分，而增加了磁层内部的场。于是理论家由一个巧妙的办法算出磁层场，就是用镜像偶极子加上磁尾电流片的模式。
但是直到20世纪中叶，并不知道就在我们的头顶上存在这巨大的无与伦比的天然发电机－太阳风－磁层顶发电机。太阳风携带着行星际磁场，在地球磁层顶与地磁场连接，在地球坐标系看，我们看到太阳风等离子体垂直力线运动完全类似磁流体发电机的示意图，在洛仑兹力作用下正电荷向磁尾磁层顶黎明一侧积累；负电荷集聚黄昏一侧，于是在磁层顶黎明和黄昏两侧构成电路的正负电极。这个发电机电动势驱动电流主要有两个回路。一个电流回路是直接越过磁尾，通过磁尾中性片上下两侧等离子体片放电，在磁尾磁层顶形成两个半圆筒形的回路，另一回路是越尾电流一部分沿地磁力线流向地球极区电离层，再由另一侧沿着磁力线流回。这一电流主要沿磁尾回路流动，他产生的磁场就形成了地磁尾，只有小部分电流沿着磁力线流向极区电离层，供给极区电流层焦耳热耗散。
地球磁层耦合的地磁场主电流耗费太阳风80％的能量，它产生的地磁场是主要是偶极磁场，这一点一直没有得到重视。
六、地球辐射带
地磁场俘获的带电粒子带。辐射带内的带电粒子是太阳风、宇宙线与地球高层大气相互作用而产生的高能粒子。它们在地磁场的作用下，沿磁力线作螺旋运动并不断辐射出电磁波。年，斯托米根据极光观测曾经预言过它的存在。年，范爱伦分析人造地球卫星探测器的资料，于年证实它的存在，因此也称作范爱伦带。地球辐射带在地球磁层内，但只存在于一定磁纬地区的上空，而不存在于南北磁极和高磁纬地区的上空。
辐射带分为：①内辐射带：高度在1～2个地球半径之间,范围限于磁纬度±40°之间,东西半球不对称。西半球起始高度比东半球低,最高处可在9,千米处开始。两半球都向赤道方面凸出。带内含有能量为50兆电子伏的质子和能量大于30兆电子伏的电子。②外辐射带：高度在3～4个地球半径之间，起始高度为13,～19,千米，厚约6,千米,范围可延伸到磁纬度50°～60°。外带比较稀薄。外带内的带电粒子的能量比内带小。
被俘获的带电粒子实际上分布于整个地磁场，所以辐射带的界限并不分明，只是带内带电粒子的密度比其他区域大。辐射带中，内带的带电粒子数是相对稳定的，外带则变化较大,差别可达到倍。一般来讲，在内带里容易测到高能质子，在外带里容易测到高能电子。
辐射带的范围和形状受地磁场的制约，也和太阳活动有关，在朝太阳的方向被太阳风所压缩。辐射带中的带电粒子数也同地磁场和太阳活动的变化有关。
在太阳风中的带电粒子到达地球磁场，被地磁场“设置”的陷阱“关”在里面，不能出来，这就是磁阱。被陷入地球磁阱中的带电粒子在地球周围形成一个巨大区域，这个区域就是地球的辐射带。
这两条地球辐射带相对于地球赤道对称排列，且只存在于低磁纬地区上空。外辐射带位于地面上空，其中带电粒子能量比内辐射带小。一般说来，在内辐射带里容易测得高能质子，在外辐射带里容易测得高能电子。地球辐射带是地外空间探测的第一项重大发现。
七、磁重联与磁尾
由于太阳风的作用，背着太阳的一面的地磁场伸展到非常遥远的地方，形成一个磁尾，其边界近似圆柱形。磁尾的半径为22个地球半径。对其长度尚无一致的看法，有些探测资料认为，磁尾延伸到几百个地球半径之外。磁尾中的等离子体密度十分稀薄,每立方厘米不到0.1个离子。磁尾由一束逆向平行的磁力线组成，中间由一个磁强近似为零的中性片（即电流片）分开。中性片两侧约10个地球半径的范围内，充满着密度较大的等离子体。这个区域称为等离子体片，其等效温度约为K。等离子体的状态在这里变化较大，这与太阳风的性质有密切关系。太阳风输送到地球磁层的能量主要储存在这里，磁层亚暴就是能量释放转移的一种形式。等离子体片向地球一端一直伸展到极光带。
到此为止，我们描述的还只是一些基本的物理原理，这是科学家早已了解了几十年的东西。当有人试图确切解释，这些磁场能量如何被转变为热能、加速粒子、抛射物质的时候，问题就出现了。一种可能的解释只是简单地出于对电路的考虑：任何电路都不能仅由它所携带的电流和驱动电荷流动的电压来描述，它还与其中存在的电阻有关。
大多数人习惯于把电流想象成一维空间，比如一根电线中流动的电荷，但在太阳上，整个大气层都是导电的，没有什么能阻止电荷在二维平面中流动。由于电阻消耗了平面中的电流，这些反向磁场中蕴含的能量就会随着时间流逝而减少。
地球空间暴多尺度结构相互作用的全球过程，包括一些重要的基本物理问题，如无碰撞激波，无碰撞等离子边界层，磁层重联，等离子体反常输运，粒子的加速和加热等。这些物理问题，有些是在地面的实验室中不易研究的。对这些基本物理问题的研究和解决，不但可推动空间物理的发展，而且还可推动相关学科的发展。
§4相互作用原理
人们一直在认识物质及空间的组合体和其时间的延续。人们普遍认为，客观未知或客观存在的实物都是物质性的。在自然界中被看到和被感知到或不被感知到的一切存在或客观实在都是物质的，它是客观上一切实际存在的泛称或统称，如地球、岩石、动物或植物、山、水、大气、光、天体、星系等等，都可以统称为宇宙的物质。
当一部分物质对另一部分物质发生作用（直接接触或通过场）时，必然要受到另一部分物质对它的反作用。自然界中物质之间的相互作用可归纳为：强相互作用、电磁物理学相互作用、弱相互作用和万有引力相互作用。
基本相互作用（fundamentalinteraction），决定物质的结构和变化过程的基本的相互作用。近代物理确认各种物质之间的基本的相互作用可归结为四种：引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。
一、引力相互作用
所有具有质量的物体之间的相互作用，表现为吸引力，是一种长程力，力程为无穷。其规律是牛顿万有引力定律，更为精确的理论是广义相对论。在四种基本相互作用中最弱，远小于强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用，在微观现象的研究中通常可不予考虑，然而在天体物理研究中起决定性作用。
二、电磁相互作用
带电物体或具有磁矩物体之间的相互作用，是一种长程力，力程为无穷。宏观的摩擦力、弹性力以及各种化学作用实质上都是电磁相互作用的表现。其强度仅次于强相互作用，居四种基本相互作用的第二位。电磁作用研究得最清楚，其规律总结在麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式中，更为精确的理论是量子电动力学。量子电动力学是物理学的精确理论，按照量子电动力学，电磁相互作用是通过交换电磁场的量子（光子）而传递的，理论计算与实验也符合得非常好。
三、弱相互作用
最早观察到的原子核的β衰变是弱作用现象。弱作用仅在微观尺度上起作用，其力程最短，其强度排在强相互作用和电磁相互作用之后居第三位。其对称性较差，许多在强作用和电磁作用下的守恒定律都遭到破坏（见对称性和守恒定律）。弱作用的理论是电弱统一理论，弱作用通过交换中间玻色子薄0而传递。弱作用引起的粒子衰变称为弱衰变，弱衰变粒子的平均寿命大于10-13s。
四、强相互作用
最早认识到的质子、中子间的核力属于强相互作用，是质子、中子结合成原子核的作用力，后来进一步认识到强子是由夸克组成的，强作用是夸克之间的相互作用力。强作用是一种短程力。其理论是量子色动力学，强作用是一种色相互作用，色荷通过交换8种胶子而相互作用，在能量不是非常高的情况下，强相互作用的媒介粒子是介子。
近代物理确认的各种物质之间基本的四种相互作用,只是物理学的全归纳，我们常见的只是电磁相互作用力。生物的活动力都来自电磁相互作用力，如果用量子电动力学描述生物活动，你就会发现你根本无从入手。虽然我们把电磁作用研究得最清楚，物质宏观和微观的转换有时就会把你给搞糊涂。更何况我们还有许多未曾去探讨过的事物，而认为我们用公式已经把它描述了，所以该类事物就都是已经知道的了。
以上所描述的四种相互作用关系，仅是表达了理论上的相互关系作用。实际上物质的相互作用应该是太广泛了，特别是电磁相互作用，我们也许永远也不会把其中的一些关系搞明白。但是，直观的东西我们应该还是可以理解的。比如说，一团物质去作用另一团物质，我们都可以把它看作是一种能量的传递。
太阳风作用在地球磁层上，我们可以把它看成为，一种物质流作用在磁力线上。就和水流遇到了一块石头或者气流当中的一只弹性皮球很是相似。石头或者皮球对太阳风有阻力，太阳风对石头或者皮球就有作用力。
太阳风与地磁场相遇，在地球周围形成的激波。与通常的流体激波波阵面不同，在它的上游有由波阵面内发出的高能粒子、电磁波、阿尔文波等向上游传播。这是由无碰撞等离子体激波波阵面内的等离子体湍动中的波-粒子相互作用和波-波相互作用产生的（见等离子体天体物理学）。在地球磁尾内靠近中性线附近，经常产生不稳定的磁合并，引起磁层亚暴。这种情况同磁力合并引起耀斑爆发的情形相似。由于太阳风的结构不稳定，弓形激波的结构也不断地变化。波阵面的顶点、方向以及它与地心的距离都随着太阳风的强弱、太阳风磁场的走向而不同。波阵面顶点与地心的距离大约在14个地球半径左右，但若有异常的低马赫数的太阳风，则可延伸到30个地球半径。弓形激波波阵面的厚度主要决定于上游磁场走向与波阵面法向的夹角。若夹角大于50°，波阵面不厚；而当夹角小于50°，波阵面厚度就可以伸展到1个地球半径。波阵面内部，在绝大多数情况下，属于热等离子体和高马赫数的湍动波阵面。弓形激波波阵面的运动，主要与太阳风中切向间断面的到来有密切关系。
§5太阳风和磁层
太阳风是一种连续存在，来自太阳并以～km/s的速度运动的等离子体流。太阳风压缩地球磁场，把地磁场限制在一个空腔范围内，这就是磁层。当太阳风流过磁层顶时，一部分能量、动量或质量会传输到磁层里来，从而引起磁层内部等离子体和磁场的大尺度对流运动，与运动相伴随的是大尺度磁层电场和电流。这些大尺度结构和过程表现了磁层的主要特征，决定着磁层粒子运动的轨迹和等离子体波传播的特性，磁层小尺度结构和过程也是在这种大尺度背景中发生的。
太阳风是太阳喷出的高速等离子流，太阳风携带巨大能量是不容置疑的，当它作用在地球磁层上时，它主要的接触范围还是作用在磁层的磁力线上。离子流对磁力线的作用和反作用说明太阳风的能量传递到地球磁力线。从磁学中我们知道，磁力线是可以传递能量的。知道磁力线的能量传递机制，地球磁场的许多疑问就都可以得到解决。
太阳风作用在地球磁场上，还能引起地球磁场的许多变化。没有太阳风的作用，可以说就没有地球磁场的存在。
1、引起地球磁场的变化。强大的太阳风能够破坏原来条形磁铁式的磁场，将它压扁而不对称，形成一个固定的区域——磁层。磁层的外形象一只头朝太阳的“蝉”，“尾部”拖得很长很长。
2、巨大的冲击还能强烈地扭曲磁场，产生被称为“杀手”的电子湍流。这种电子湍流不但能钻进卫星内部造成永久性破坏，还能切断变电器及电力传送设施，造成地面电力系统全面崩溃。
3、引发磁层亚暴。在磁层亚暴期间，距离地球表面3公里的高空处可能会产生强烈的真空放电和高压电弧,给同步轨道上的卫星带来灾难，甚至导致卫星殒灭。
此外，太阳风对地球上的天气和气候的异常也有一定的影响。
对当代天体物理学来说，太阳风的研究是一个意义深远的重要课题，其中有不少新的内容需要人们进一步探索。我们深信，随着现代科学技术的飞跃发展，在太阳风的研究上一定能获得突破性的成就。
当太阳风到达地球附近时，与地球的偶极磁场发生作用，并把地球磁场的磁力线吹得向后弯曲。但是地磁场的磁压阻滞了等离子体流的运动，使得太阳风不能侵入地球大气而绕过地磁场继续向前运动。于是形成一个空腔，地磁场就被包含在这个空腔里。此时的地磁场外形就像一个一头大一头小的蛋状物。
等离子体本身也可以对束缚着它的磁场产生影响。因为作为一片带电粒子的海洋，等离子体可以容纳电流。在任何存在电压差来驱动电流的地方，电流都可以出现。在更为常见的电路中，比如在一个手电筒中，电池提供了驱动电压。在太阳上，没有类似电池的东西存在，但是磁场的变化造成了电压差，由此产生电流(这里依据的原理，与使发电机运转的原理相同)。这些电流会产生新的磁场，使事情变得更加复杂。
这些磁场能量如何被转变为热能、加速粒子、抛射物质的时候，问题就出现了。一种可能的解释只是简单地出于对电路的考虑：任何电路都不能仅由它所携带的电流和驱动电荷流动的电压来描述，它还与其中存在的电阻有关。举例来说，灯泡中的灯丝为流经的电流提供了电阻，将电能变成光和热消耗掉。太阳的大气层也提供了电阻，因为组成电流的带电粒子有时会相互碰撞，阻碍它们运动，使物体升温。
该理论除可应用于地球磁层外，还可应用于其他行星磁层、行星际和星际空间以及太阳大气的某些区域。对研究日地系统的能量传输及太阳风、磁层和电离层的耦合过程，了解地球空间环境的变化机理等有重大科学意义。
认识到日地系统各层次相互联系的重要性，首先全面的提出了太阳－磁层－电离层－高层大气耦合的概念，并率先在我国开展磁层与各层次耦合的研究。利用磁流体力学和等离子体物理方法，最先研究了太阳风的湍谱结构，建立了一套描述太阳风湍谱分布的表达式，理论结果与观测数据相符合。
磁圈里的电流实际上将地球本来的磁场扩展了许多，这些电流也决定远离地球的地方的磁场结构。在地磁场中的电荷倾向于环绕地磁场的偶极旋转。比如从上方看地球北极的话离子呈顺时针方向旋转，而电子则呈逆时针方向旋转，导致上述的环电流。
除了这个水平的环流外还有在极地附近从远太空进入电离层，然后又被反弹回太空的电流（伯克兰流）。环电流场，这个场是由束缚在地球的磁偶极中的等离子导致的，这个电流一般离地心三至八地球半径（强流时比较接近地面），其电流约沿地磁赤道流动，从北极看流向为顺时针方向（在主流内有一个小的逆时针流）。
磁圈内束缚地球等离子和磁场的场。导致这个场的电流沿磁顶流动。这个电流是由磁顶的突然磁场变化（磁顶外太阳风的磁场，磁顶内地球磁场）导致的（安培定理）。
伯克兰流场。这个场需要一个能量源来保持其加热电离层的损失。这个能量源可能也是由发电机原理导致的。这说明伯克兰流中至少有部分区域相对于地球运动。
假如行星际磁场的磁场方向是指向南方的话，那么磁圈内的磁场方向与行星际磁场方向相反，这导致双方比较容易联系到一起，使得太阳风内的能量和物质比较容易进入磁圈。其结果是磁尾扩展和变得不稳定。磁尾的结构会突然地和强烈地变化，导致所谓的磁亚暴。
一个推测是由于磁尾扩张，它对周边的太阳风形成了一个比较大的阻力，而周边的太阳风对它的压力也增高。最后等离子层中的磁场线被中断（磁场重联），远离地球的磁尾形成一个独立的环，被太阳风吹走（等离子体团），而离地球近的部分则反弹回来。
磁亚暴不明显加强环电流。但是磁暴会显着地加强环电流。磁暴是在太阳日冕物质抛射或者耀斑发生后高速等离子体云冲击地球。假如这个时候行星际磁场的方向指向南方的话，这不但会使得磁圈的边界向地球方向移动，而且会导致磁尾等离子体剧烈进入磁圈。
此外环电流被逼近地球，进一步加强了其粒子能量，暂时地改变地球附近的磁场，使得极光（及其电流系统）向赤道靠近。由于许多离子在短时间内通过电荷交流消失，因此磁场骚扰在一至三日内就消失了，但是环电流中的高能会持续相当长的时间。
范艾伦辐射带中的高能电子峰值周期与太阳风暴发生频率具有非常密切的关系。太阳风暴能够将粒子流送往地球，但其能量要比范艾伦辐射带电子流的能量低很多。这些数据同时显示，这些粒子的能量在范艾伦辐射带中心附近迅速增强，而这一过程并没有受到外部能量源的影响
§6磁层的力学描述
地磁场的数学描述是高斯的球谐分析方程，当然高斯的球谐分析方程还可以用于地球的重力场和地球的温度场。磁层的数学描述比磁场的描述更为复杂，因为它可变的因素太多，结构更为复杂。
一、流体力学（fluidmechanics）
流体力学主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。太阳风吹向天体的运动状态可以归属于流体力学的描述。
17世纪，帕斯卡阐明了静止流体中压力的概念。但流体力学尤其是流体动力学作为一门严密的科学，却是随着经典力学建立了速度、加速度，力、流场等概念，以及质量、动量、能量三个守恒定律的奠定之后才逐步形成的。
力学奠基人牛顿，研究了在流体中运动的物体所受到的阻力，得到阻力与流体密度、物体迎流截面积以及运动速度的平方成正比的关系。他针对粘性流体运动时的内摩擦力也提出了牛顿粘性定律。但是，牛顿还没有建立起流体动力学的理论基础。
之后，法国皮托发明了测量流速的皮托管；达朗贝尔对运河中船只的阻力进行了许多实验工作，证实了阻力同物体运动速度之间的平方关系；瑞士的欧拉采用了连续介质的概念，把静力学中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，正确地用微分方程组描述了无粘流体的运动；伯努利从经典力学的能量守恒出发，研究供水管道中水的流动，精心地安排了实验并加以分析，得到了流体定常运动下的流速、压力、管道高程之间的关系——伯努利方程。
欧拉方程和伯努利方程的建立，是流体动力学作为一个分支学科建立的标志，从此开始了用微分方程和实验测量进行流体运动定量研究的阶段。从18世纪起，位势流理论有了很大进展，在水波、潮汐、涡旋运动、声学等方面都阐明了很多规律。法国拉格朗日对于无旋运动，德国赫尔姆霍兹对于涡旋运动作了不少研究。在上述的研究中，流体的粘性并不起重要作用，即所考虑的是无粘流体。这种理论当然阐明不了流体中粘性的效应。
19世纪，工程师们为了解决许多工程问题，尤其是要解决带有粘性影响的问题。于是他们部分地运用流体力学，部分地采用归纳实验结果的半经验公式进行研究，这就形成了水力学，至今它仍与流体力学并行地发展。年，纳维建立了粘性流体的基本运动方程；年，斯托克斯又以更合理的基础导出了这个方程，并将其所涉及的宏观力学基本概念论证得令人信服。这组方程就是沿用至今的纳维-斯托克斯方程(简称N-S方程)，它是流体动力学的理论基础。上面说到的欧拉方程正是N-S方程在粘度为零时的特例。
普朗特学派从年到年逐步将N-S方程作了简化，从推理、数学论证和实验测量等各个角度，建立了边界层理论，能实际计算简单情形下，边界层内流动状态和流体同固体间的粘性力。同时普朗克又提出了许多新概念，并广泛地应用到飞机和汽轮机的设计中去。这一理论既明确了理想流体的适用范围，又能计算物体运动时遇到的摩擦阻力。使上述两种情况得到了统一。
20世纪初，飞机的出现极大地促进了空气动力学的发展。航空事业的发展，期望能够揭示飞行器周围的压力分布、飞行器的受力状况和阻力等问题，这就促进了流体力学在实验和理论分析方面的发展。20世纪初，以儒科夫斯基、恰普雷金、普朗克等为代表的科学家，开创了以无粘不可压缩流体位势流理论为基础的机翼理论，阐明了机翼怎样会受到举力，从而空气能把很重的飞机托上天空。机翼理论的正确性，使人们重新认识无粘流体的理论，肯定了它指导工程设计的重大意义。
20世纪40年代以后，由于喷气推进和火箭技术的应用，飞行器速度超过声速，进而实现了航天飞行，使气体高速流动的研究进展迅速，形成了气体动力学、物理-化学流体动力学等分支学科。
以这些理论为基础，20世纪40年代，关于炸药或天然气等介质中发生的爆轰波又形成了新的理论，为研究原子弹、炸药等起爆后，激波在空气或水中的传播，发展了爆炸波理论。此后，流体力学又发展了许多分支，如高超声速空气动力学、超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电磁流体力学、计算流体力学、两相(气液或气固)流等等。
从20世纪60年代起，流体力学开始了流体力学和其他学科的互相交叉渗透，形成新的交叉学科或边缘学科，如物理-化学流体动力学、磁流体力学等；原来基本上只是定性地描述的问题，逐步得到定量的研究，生物流变学就是一个例子。
等离子体是自由电子、带等量正电荷的离子以及中性粒子的集合体。等离子体在磁场作用下有特殊的运动规律。研究等离子体的运动规律的学科称为等离子体动力学和电磁流体力学，它们在受控热核反应、磁流体发电、宇宙气物质运动等方面有广泛的应用。
因此，流体力学既包含自然科学的基础理论，又涉及工程技术科学方面的应用。此外，如从流体作用力的角度，则可分为流体静力学、流体运动学和流体动力学；从对不同“力学模型”的研究来分，则有理想流体动力学、粘性流体动力学、不可压缩流体动力学、可压缩流体动力学和非牛顿流体力学等。
纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokesequations），以克劳德-路易·纳维(Claude-LouisNavier)和乔治·盖伯利尔·斯托克斯命名，是一组描述像液体和空气这样的流体物质的方程。这些方程建立了流体的粒子动量的改变率(加速度)和作用在液体内部的压力的变化和耗散粘滞力(类似于摩擦力)以及重力之间的关系。这些粘滞力产生于分子的相互作用，能告诉我们液体有多粘。这样，纳维-斯托克斯方程描述作用于液体任意给定区域的力的动态平衡。
纳维-斯托克斯方程依赖微分方程来描述流体的运动。这些方程，和代数方程不同，不寻求建立所研究的变量（譬如速度和压力）的关系，而是建立这些量的变化率或通量之间的关系。用数学术语来讲，这些变化率对应于变量的导数。这样，最简单情况的0粘滞度的理想流体的纳维-斯托克斯方程表明加速度（速度的导数，或者说变化率）是和内部压力的导数成正比的。
这表示对于给定的物理问题的纳维-斯托克斯方程的解必须用微积分的帮助才能取得。实用上，只有最简单的情况才能用这种方法解答，而它们的确切答案是已知的。这些情况通常设计稳定态（流场不随时间变化）的非湍流，其中流体的粘滞系数很大或者其速度很小（小的雷诺数）。
对于更复杂的情形，例如厄尔尼诺这样的全球性气象系统或机翼的升力，纳维-斯托克斯方程的解必须借助计算机。这本身是一个科学领域，称为计算流体力学。
进行流体力学的研究可以分为现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算四个方面：
同物理学、化学等学科一样，流体力学离不开实验，尤其是对新的流体运动现象的研究。实验能显示运动特点及其主要趋势，有助于形成概念，检验理论的正确性。二百年来流体力学发展史中每一项重大进展都离不开实验。
模型实验在流体力学中占有重要地位。这里所说的模型是指根据理论指导，把研究对象的尺度改变(放大或缩小)以便能安排实验。有些流动现象难于靠理论计算解决，有的则不可能做原型实验(成本太高或规模太大)。这时，根据模型实验所得的数据可以用像换算单位制那样的简单算法求出原型的数据。
现场观测常常是对已有事物、已有工程的观测，而实验室模拟却可以对还没有出现的事物、没有发生的现象进行观察，使之得到改进。因此，实验室模拟是研究流体力学的重要方法。
理论分析是根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等，利用数学分析的手段，研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发生的结果。理论分析的步骤大致如下：
首先是建立“力学模型”，即针对实际流体的力学问题，分析其中的各种矛盾并抓住主要方面，对问题进行简化而建立反映问题本质的“力学模型”。流体力学中最常用的基本模型有：连续介质、牛顿流体、不可压缩流体、理想流体、平面流动等。
求出方程组的解后，结合具体流动，解释这些解的物理含义和流动机理。通常还要将这些理论结果同实验结果进行比较，以确定所得解的准确程度和力学模型的适用范围。
从基本概念到基本方程的一系列定量研究，都涉及到很深的数学问题，所以流体力学的发展是以数学的发展为前提。反过来，那些经过了实验和工程实践考验过的流体力学理论，又检验和丰富了数学理论，它所提出的一些未解决的难题，也是进行数学研究、发展数学理论的好课题。按目前数学发展的水平看，有不少题目将是在今后几十年以内难于从纯数学角度完善解决的。
对于一个特定领域，考虑具体的物理性质和运动的具体环境后，抓住主要因素忽略次要因素进行抽象化也同时是简化，建立特定的力学理论模型，便可以克服数学上的困难。
此外，流体力学中还经常用各种小扰动的简化，使微分方程和边界条件从非线性的变成线性的。声学是流体力学中采用小扰动方法而取得重大成就的最早学科。声学中的所谓小扰动，就是指声音在流体中传播时，流体的状态(压力、密度、流体质点速度)同声音未传到时的差别很小。线性化水波理论、薄机翼理论等虽然由于简化而有些粗略，但都是比较好地采用了小扰动方法的例子。
每种合理的简化都有其力学成果，但也总有其局限性。例如，忽略了密度的变化就不能讨论声音的传播；忽略了粘性就不能讨论与它有关的阻力和某些其他效应。掌握合理的简化方法，正确解释简化后得出的规律或结论，全面并充分认识简化模型的适用范围，正确估计它带来的同实际的偏离，正是流体力学理论工作和实验工作的精华。
流体力学既含有基础理论，又有极广泛的应用范围。从研究对象划分，它主要有以下分支学科：地球流体力学，研究大气、海水以及地球深处熔浆的运动；水力学和水动力学，研究水在海洋、江河、渠道、管道和水力机械中的运动，船舶运动和阻力，高速水流中的空化，等等；空气动力学，研究空气的特性（如粘性、压缩性、扩散和波动特性等），飞行器的气动力特性和气动加热现象，飞行器外形设计等；环境流体力学和工业流体力学，研究大气污染、建筑物的风载风振问题、风能利用、沙漠迁移、河流泥沙运动、液力和气力输送，等等；生物流体力学，研究人和其他生物体内的流体运动规律；其他还有渗流力学、磁流体力学、物理-化学流体力学、爆炸力学等。
磁层和太阳风系统用流体力学来描述是困难的，因为磁层和太阳风都是可以压缩的，特别是在磁暴时期。当逐渐增强的太阳风把磁层空间压缩时，只是磁层的空间大小发生了变化。增强的太阳风作用在磁力线上，使磁力线把能量传递到地磁场上，使地磁力增强。这就是我们看到的磁暴现象。逐步减弱的太阳风和相对增强的地磁场促使磁层爆发性地扩大了体积，进而让太阳风作用在磁层上的面积进一步扩大。磁层系统经历过这种一缩一涨，磁层内各部位的变化和能量分布变动产生许多能量转换现象，比如磁场重联等。
磁层和太阳风系统的流体力学描述，若是静态的去找它的解都已经很困难，找到动态连续的磁暴过程数学解决方法就更困难了。但是，磁层和太阳风系统模型实验方法非常重要了，磁层的模型实验方法我们放在第八章里去讨论。
磁层亚暴、磁暴、磁层粒子暴、电离层暴和热层暴都不是我们日常所熟悉的事物，成熟地去讨论它们还需要有一个过程。如果有磁层和太阳风系统模型实验方法，再去详细地理解磁层现象也就不是一件太困难的事。
二、弹性力学
采用气体和液体相互作用的气动弹性力学理论，以及磁粘弹性理论等去处理磁层和太阳风系统模型，也不失为一种科学方法。
英国的R.胡克于年和法国的E.马略特于年分别独立地提出了弹性体的变形和所受外力成正比的定律，后被称为胡克定律。I.牛顿于年确立了力学三定律（见牛顿运动定律），同时数学也在飞跃发展，建立弹性力学数学理论的条件已大体具备。17世纪末，人们开始研究梁的理论。到19世纪20年代法国的C.L.M.H.纳维和A.L.柯西才基本上建立了弹性力学的数学理论。柯西在～年发表的一系列论文中，明确地提出了应变、应变分量、应力和应力分量的概念，建立了弹性力学的几何方程、运动（平衡）方程、各向同性以及各向异性材料的广义胡克定律，从而奠定了弹性力学的理论基础。～年间法国的A.J.C.B.圣维南发表了柱体扭转和弯曲的论文，其中理论结果和实验结果密切吻合，为弹性力学的正确性提供了有力的证据。年德国的H.R.赫兹解出了两弹性体局部接触时弹性体内的应力分布。年德国的G.基尔施在计算圆孔附近的应力分布时，发现了应力集中。这些成就解释了过去无法解释的实验现象，对提高机械、结构等零件的设计水平起了重要作用。在这个时期，弹性力学的一般理论也有很大发展，建立了各种关于能量的定理和原理，如弹性力学虚功原理和弹性力学最小势能原理，年意大利的E.贝蒂建立的功的互等定理，～年意大利的A.卡斯蒂利亚诺建立的弹性力学最小余能（即余应变能）原理。还发展了许多有效的近似计算、数值计算和其他计算方法，如瑞利-里兹法，为直接求解泛函极值问题开辟了道路，推动了力学、物理、工程中近似计算的发展。～年俄国的布勃诺夫和伽辽金提出了布勃诺夫-伽辽金法。后来，苏联的穆斯赫利什维利于20世纪30年代发展了复变函数的应用，为求解弹性力学平面问题提供了有力的工具。积分变换和积分方程等在弹性力学中的应用也有了新发展。从20世纪20年代起，弹性力学在发展中出现了许多边缘分支：各向异性和非均匀体理论，非线性板壳理论和非线性弹性力学，热弹性力学，气动弹性力学，水弹性力学和粘弹性力学等。磁弹性和微结构弹性理论也开始建立起来。此外还建立了弹性力学广义变分原理。
为了阐明一个弹性力学问题，需要说明物体的形状和物体各部分由什么材料组成；说明物体所承受的载荷，包括体积力，自由边界上的载荷；说明此物体和其他物体的连接情况。对弹性力学的平衡问题，说明上述三个方面即可。但对弹性力学的动力问题，还需说明物体的初始状态。
在这个时期，弹性力学的一般理论也有很大的发展。一方面建立了各种关于能量的定理(原理)。另一方面发展了许多有效的近似计算、数值计算和其他计算方法，如著名的瑞利——里兹法，为直接求解泛函极值问题开辟了道路。
从20世纪20年代起，弹性力学在发展经典理论的同时，广泛地探讨了许多复杂的问题，出现了许多边缘分支：各向异性和非均匀体的理论，非线性板壳理论和非线性弹性力学，考虑温度影响的热弹性力学，研究固体同气体和液体相互作用的气动弹性力学和水弹性理论以及粘弹性理论等。磁弹性和微结构弹性理论也开始建立起来。此外，还建立了弹性力学广义变分原理。这些新领域的发展，丰富了弹性力学的内容，促进了有关工程技术的发展。
求解一个弹性力学问题，就是设法确定弹性体中各点的位移、应变和应力共15个函数。从理论上讲，只有15个函数全部确定后，问题才算解决。但在各种实际问题中，起主要作用的常常只是其中的几个函数，有时甚至只是物体的某些部位的某几个函数。所以常常用实验和数学相结合的方法，就可求解。
三、磁流体力学
磁流体力学是结合经典流体力学和电动力学的方法，研究导电流体和磁场相互作用的学科，它包括磁流体静力学和磁流体动力学两个分支。磁层和太阳风系统不适合用其描述，地磁场是磁流体动力学的理想解决方案。
磁流体静力学研究导电流体在磁场力作用于静平衡的问题；磁流体动力学研究导电流体与磁场相互作用的动力学或运动规律。磁流体力学通常指磁流体动力学，而磁流体静力学被看作磁流体动力学的特殊情形。
年法拉第首次提出有关磁流体力学问题。他根据海水切割地球磁场产生电动势的想法，测量泰晤士河两岸间的电位差，希望测出流速，但因河水电阻大、地球磁场弱和测量技术差，未达到目的。年哈特曼根据法拉第的想法，对水银在磁场中的流动进行了定量实验，并成功地提出粘性不可压缩磁流体力学流动(即哈特曼流动)的理论计算方法。
～年阿尔文提出带电单粒子在磁场中运动轨道的“引导中心”理论、磁冻结定理、磁流体动力学波(即阿尔文波)和太阳黑子理论，年他在《宇宙动力学》一书中集中讨论了他的主要工作，推动了磁流体力学的发展。年伦德奎斯特首次探讨了利用磁场来保存等离子体的所谓磁约束问题，即磁流体静力学问题。受控热核反应中的磁约束，就是利用这个原理来约束温度高达一亿度量级的等离子体。
等离子体的密度范围很宽。对于极其稀薄的等离子体，粒子间的碰撞和集体效应可以忽略，可采用单粒子轨道理论研究等离子体在磁场中的运动。对于稠密等离子体，粒子间的碰撞起主要作用，研究这种等离子体在磁场中的运动有两种方法。一是统计力学方法，即所谓等离子体动力论，它从微观出发，用统计方法研究等离子体在磁场中的宏观运动；二是连续介质力学方法即磁流体力学，把等离子体当作连续介质来研究它在磁场中的运动。
磁流体力学是在非导电流体力学的基础上，研究导电流体中流场和磁场的相互作用。进行这种研究必须对经典流体力学加以修正，以便得到磁流体力学基本方程组。
磁流体力学基本方程组具有非线性且包含方程个数又多，所以求解困难。但在实际问题中往往不需要求最一般形式的方程组的解，而只需求某一特殊问题的方程组的解。一般应用量纲分析和相似律求得表征物理问题的相似准数，并简化方程，即可得到有实用价值的解。
磁流体力学相似准数有雷诺数、磁雷诺数、哈特曼数、马赫数、磁马赫数、磁力数、相互作用数等。求解简化后的方程组不外是分析法和数值法。利用计算机技术和计算流体力学方法可以求解较复杂的问题。
磁流体力学的理论很难像普通流体力学理论那样得到充分的验证。由于在常温下可供选择的介质很少，同时需要很强的磁场才能观察到磁流体力学现象，故不易进行模拟。模拟天体大尺度的磁流体力学问题更不易在实验室中实现。所以磁流体力学的理论有的可以得到定量验证，有的只能得到定性或间接的验证。当前有关磁流体力学的实验是在各种等离子体发生器和受控热核反应装置中进行的。
研究磁流体问题，首先是建立磁流体力学基本方程组，其次是用这个方程组来解决各种问题。磁流体力学主要用来研究解决的有：
理想导电流体运动对地球磁场影响的问题；或流体静止时，流体电阻对磁场影响的问题，其中包括磁冻结和磁扩散。
研究磁场力对导电流体定常运动的影响。方程的非线性使磁流体动力学流动的数学分析复杂化，通常要用近似方法或数值法求解。它们虽然是简化情况的解，然而清晰地阐明了基本的流动规律，利用这些规律至少可以定性地讨论更复杂的磁流体动力学流动。
研究磁流体动力学波，包括小扰动波、有限振幅波和激波。了解等离子体中波的传播规律，可以探测等离子体的某些性质。此外，激波理论在电磁激波管、天体物理和地球物理上都有重要的应用。
宇宙中恒星和星际气体都是等离子体，而且有磁场，故磁流体力学首先在天体物理、太阳物理和地球物理中得到发展和应用。当前，关于太阳的研究课题有：太阳磁场的性质和起源，磁场对日冕、黑子、耀斑的影响。此外还有：星际空间无作用力场存在的可能性，太阳风与地球磁场相互作用产生的弓形激波等。
磁流体力学除了与开发和利用核聚变能有关外，还与磁流体发电密切联系。磁流体发电的原理是用等离子体取代发电机转子，省去转动部件，这样可以把普通火力发电站或核电站的效率提高15～20%，甚至更高，既可节省能源，又能减轻污染。
宇宙中磁场是普遍存在的。太阳上不仅普遍有磁场，而且在局部区域和一定时间内，磁场可以很强，如太阳黑子的磁场强度可达数千高斯。恒星上也存在磁场，已观测到的磁变星的磁场强度可达几万高斯。中子星的场强更大，可达10～高斯。在恒星际空间和星系际空间也存在磁场。因此，磁场中等离子体的运动就成为天体物理研究的重要对象，而磁流体力学则是一个重要的研究工具。
扰动的传播与一般流体力学有很大不同。首先，由于磁张力，冻结在流体中的磁力线像绷紧的弦一样，垂直磁力线的扰动可以沿着这种磁力线传播，形成阿尔文波。其次,磁流体力学中声波受磁场影响将分解为快磁声波和慢磁声波两种，它们的相速度分别大于和小于阿尔文波的相速度。这三种波的传播一般是各向异性的，它们统称为磁流体力学波。
磁流体力学湍流往往是与宇宙中磁场的产生和维持相联系的。湍流的无规则运动一般会使磁力线伸长，而使磁场增强。另一方面，湍流也会增加磁场的耗散率。当然，磁场也将对湍流运动起反作用。
许多行星(如水星,地球,木星和土星)和恒星(如太阳)具有磁层磁场。对这些磁场的存在和变化的解释对行星科学家和天体物理学家都是个巨大的挑战。行星或恒星的导电体内部的磁流体力学研究新近发展和实际困难。一般由电流驱动的流动，通过磁流体力学过程产生并维持在行星和恒星中的各种磁场。在行星中磁流体力学过程强烈地受到转动、磁场和球几何位型的综合影响。其动力学的关键方面涉及科里奥利力和洛伦兹力间的相互作用。在太阳中其流线，即处于对流层薄的剪切流层在太阳的磁流体力学过程中扮演了一个基本的角色。
在电磁场中运动的导电流体，一方面受到洛伦兹力的作用，同时还产生感应电动势。前者使流体运动受到电磁场的影响，后者则使电磁场又受到流体运动的影响，因此形成流场与电磁场之间的耦合。等离子体在一定条件下可以看作连续介质，磁流体力学则是研究等离子体理论的宏观方法。实际上，磁流体力学的发展一直是与等离子体动力学的发展互相促进的。
宇宙磁流体力学更有其特色。首先，它所研究的对象的特征长度一般来说是非常大的，因而电抗的作用远远大于阻抗的作用。其次，其有效时间非常久，所以由电磁原因引起的某些作用力不大可观，却能产生重大效应。磁流体力学大体上可以和流体力学平行地进行研究，但因磁场的存在也具有自己的特点：在磁流体静力学中的平衡方程，和流体静力学相比，增加了磁应力部分，这就是产生磁约束的根据。运动学在磁流体力学中有着不同的涵义，它研究磁场的“运动”，即在介质流动下磁场的演变。如果电导率是有限的，则磁场还要扩散。研究流动如何产生和维持天体中磁流机制，目前大多是以运动学为基础的。
无论对于平衡的不稳定性，层流转换为湍流的不稳定性或热力不稳定性，磁场的影响都会起很重要的作用。一般来说，磁场对导电流体的运动起着像粘滞阻力一样的作用，并且使导电流体具有一定程度的刚性。这样就会减弱任何导致不稳定的趋向。同时，磁场的存在也将传播一些新的扰动模式。
§7太阳风作用地球磁层
地磁场的高斯分析表明，随着距离的延伸，偶极子磁场所占的比例越来越大。经典的观点认为，偶极子磁场的磁位分布同离开地心距离的平方成反比，场强同距离的立方成反比，向外无限延伸。近代的观测和研究改变了这种经典的认识。按照近代的观点，太阳风与地磁场相互作用，使地磁力线压缩在一个空间范围之内，形成了磁层。地磁场完全被局限在磁层之内。高空磁场才具有偶极子磁场的特征。高空地磁场的形态远比近地面空间复杂。
太阳风携带着巨大能量作用在地球磁层上。离子流对磁力线的作用和反作用说明太阳风的能量传递到了地球的磁力线上。从磁学中我们知道，磁力线是可以传递能量的。以下就是找到这种传递机制，地球磁场的许多问题就都可以得到解决。
高超声速飞行体形状为钝头的情况下，在钝头附近，激波接近于正激波，其强度很大。如果来流马赫数很高，激波层内的气体温度很高，就会产生一系列高温效应，如离子的振动自由度被激发。激波层内包含电子和离子，此时激波层就会像一个鞘层把物体包围住，这种激波层称为等离子体鞘。在这种情形下有激波层流动，激波层又可分成无高温效应激波层和有高温效应激波层，“温暖的等离子斗篷”就是如此形成的，它们在进行着能量的传递。
地球电磁感应的理论基础是分别求解地球内外电磁场所满足的方程。地球电磁场变化一般很缓慢，地球内部的位移电流很小，因此电磁场主要是由较强的区域向较弱的区域扩散，而不是以波动形式向外传播。地球地壳介质是导体，电磁场满足扩散方程；地球外部介质可以看成绝缘体，磁场是保守场，磁势满足拉普拉斯方程。
磁层空间电流体系可分为：（1）太阳风和磁层相互作用产生的磁层顶电流系，这是巨大的无与伦比的磁层顶发电机；（2）磁尾中性片上的跨尾电流与磁尾上下的闭合的磁尾电流系，是次生电流系；（3）对称赤道环电流系，在范艾伦辐射带外缘赤道平面处；（4）区场向电流系，它们是磁尾拉出的电流系与磁层亚爆相关，当磁层亚爆发生时，它们与赤道环电流系、磁尾电流系变换；（5）电离层发电机电流系。磁层内基本上都是等离子体，等离子体具有一定的导电性，生成以上五类电流体系，实属自然世界的合理组合。但是，磁层磁场从太阳风得到的能量在这五类电流系统里是转化不掉的，所以说，太阳风-磁层磁场-地壳环赤道导体-地磁场耦合系统消耗掉了太阳风的大部分能量。地壳赤道环电流体系是地球磁系统的主电流体系。
现代的许多科学家的都认为，地球磁场的驱动能量只有来自太阳。如果假设地球是放置在没有恒星的环境当中形成并运行的，那么地球将不会有地磁场存在。所以形成现在这样的地磁场的能量最终只能来源于太阳的作用。
本章重点概要
（一）太阳风是一种连续存在，来自太阳并以～千米/秒的速度运动的等离子体流。
（二）在天体周围由空间等离子体包裹，并受天体磁场控制的区域。太阳风压缩地球磁场，把地磁场限制在一个空腔范围内，这就是磁层。
（三）太阳风作用在地球此层上，我们可以把它看成为，一种物质流作用在磁力线上。就和水流遇到了一块石头或者气流当中的一只弹性皮球很是相似。石头或者皮球对太阳风有阻力，太阳风对石头或者皮球就有作用力。
（四）太阳风携带着巨大能量是不容置疑的，当它作用在地球磁层上时，它主要的接触范围还是作用在磁层的磁力线上。离子流对磁力线的作用和反作用说明太阳风的能量传递到地球磁力线了。从磁学中我们知道，磁力线是可以传递能量的。知道磁力线的能量传递机制，地球磁场的许多疑问就都能得到解决了。
（五）流体力学主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。研究流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动的规律。太阳风吹向天体的运动状态可以归属于流体力学的描述。
（六）现代的许多科学家的都认为，地球磁场的驱动能量只有来自太阳。如果假设地球是放置在没有恒星的环境当中形成并运行的，那么地球将不会有地磁场存在。所以形成现在这样的地磁场的能量最终只能来源于太阳的作用。
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