磁圈是围绕天体的一种特殊区域，其特征是以天体自身的磁场为主导。地球、木星、土星、天王星和海王星都具有磁圈。然而，水星和木卫三尽管拥有磁场，但由于磁场强度较低，未能形成完整的磁圈。火星虽有局部磁场，但也未形成磁圈。其他具有磁场的天体，如脉冲星，同样具备磁圈。
形成与特点
磁圈是地球的远地磁场，由地球磁场与太阳风相互作用而成。磁圈的外部边界为磁层顶，可达13,000公里空间，超越地球大气最外层界限，故称超外圈。磁圈并非理想环状，受太阳风影响，面向太阳一侧磁层被压缩，背向太阳一侧则延伸较远。磁圈形态类似彗星，发挥保护地表生物的重要作用，捕获并禁锢太阳风携带的有害粒子，防止其到达地面。
发现与命名
1958年，探险者一号卫星在国际地球物理年期间发现地球磁圈。此前，科学家已知太空中存在电流，但不知其具体位置及原理。同年8月至9月，美国进行了相关实验。1959年，托马斯·戈尔德提出“磁圈”这一术语，描述地球磁场对气体和高速带电粒子的主要影响区域。
结构与影响因素
地球磁圈的形状和大小取决于地球磁场、太阳风离子和行星际磁场。磁圈非球状，朝向太阳一面边界距地心约7万公里，随着太阳风强度变化。磁圈边界称为磁顶，朝向太阳一侧距地心约15倍地球半径，背向太阳一侧则达20至25倍地球半径，尾部可延伸至200倍地球半径以上。地球最外层中性气体层为地冕，主要由氢和氦组成，可延伸至4至5倍地球半径。磁圈中的高温等离子可与地冕原子碰撞，产生高速逃逸原子，用于测试和展示高温等离子云。地球电离层最外部分为等离子层，也可延伸至4至5倍地球半径。极风可逃逸出磁圈，与太阳风汇合。极光释放的能量可加热大气层中的氧和氧气分子，使其在外流过程中扩展磁圈。
特征
地球磁圈的结构和性能主要受地球磁场和太阳风影响。地磁场可能由地核内液态金属流动引起的发电机原理产生，近似于倾斜10°的磁棒。太阳风是从太阳表面流出的快速热等离子，速度可达400千米每秒，由日冕高温引起。太阳风成分与太阳相似，约95%为质子，4%为氦原子核，其余为较重元素。在地球轨道处，密度通常为每立方厘米六离子，随太阳活动变化。行星际磁场强度在2至5纳特斯拉之间。磁圈与太阳风间的边界称为磁顶，磁圈成为被太阳风包围的腔室。磁圈与太阳风间的隔离并不完全，太阳风可通过磁重联等方式将能量传递给磁圈。面对太阳一侧，磁圈与太阳风形成无撞击弓形激波，激波背后等离子体速度降至阿尔文速度，随后又恢复原速。
辐射带
1958年，科学家意外发现地球周围的范艾伦辐射带，由能量在10至100MeV的质子组成，源于宇宙线与地球大气上层的撞击。外辐射带位于2.5至8倍地球半径处，由较高能量的离子和电子组成。环电流等离子体也存在于此。辐射带中的离子稳定性各异，内辐射带的离子特别稳定，可维持数年之久。外辐射带和环电流不稳定，因其粒子与地冕粒子碰撞而不断丧失。表明此处存在不断产生新等离子的机制。
磁尾
太阳风将磁圈中的等离子吹走，形成磁尾。地球磁尾延伸至月球轨道外，木星磁尾预计延伸至土星轨道外。磁尾中的等离子旋转至磁尾末端，然后回流至行星。磁尾中也有无物质流的中断区域，称为波谷，其大小和位置会变化，有时合并或消失。磁尾甚至会反转，释放高温高电离粒子。
太空中的电流
太空中大多数磁场由电流产生。磁圈中的电流扩展地球磁场，决定远离地球的磁场结构。环电流加强外部磁场，削弱内部磁场。磁暴时，环电流增强，地球表面磁场减弱1%至2%。磁场变形和电流流动相互作用，难以区分因果关系。除水平环流外，还有从远太空进入电离层，然后反弹回太空的电流，称为伯克兰流。伯克兰流加热电离层，导致霍尔效应，加速磁圈粒子，电离氧原子，使其进入环电流。
分类
磁圈可分为五个部分：地磁场、环电流场、磁圈内场、尾流系统和伯克兰流场。每个部分都有相应的电流和磁场结构。
磁暴和磁亚暴
美国国家航空航天局发射西弥斯卫星研究太阳风对磁圈的影响和磁亚暴的形成原理。当行星际磁场指向南方时，磁圈内的磁场与其相反，易连接，导致太阳风能量和物质进入磁圈。磁尾扩张和不稳定，结构突然变化，引发磁亚暴。磁亚暴不明显加强环电流，但磁暴显著加强环电流。磁暴时，磁圈边界向地球移动，磁尾等离子体剧烈进入磁圈，环电流中的等离子粒子剧增，环电流逼近地球，改变地球附近磁场，导致极光和伯克兰流。
参考资料
地球磁场—人类赖以生存的必须环境—第六章 地球磁层.百家号.2024-11-25
磁圈.gravity.2024-11-25
天体的构造与磁场的形成:为什么几乎每个星球都有各自的磁场呢?.网易.2024-11-25