磁层亚暴(卷名：固体地球物理学 测绘学 空间科学)
magnetospheric substorm
磁层的高纬地区夜半侧和磁尾的强烈扰动。扰动区域包括整个磁尾、等离子体片及极光带附近的电离层。持续时间约1～2小时。
亚暴的概念最早是由K.伯克兰提出的。20世纪初，他研究了极区地磁扰动特性，把极区磁扰称为极区元磁暴，并且指出它是由于极光带上空的电急流强度变化所引起的。亚暴一词最早见于1961年，赤祖父俊一和S.查普曼分析国际地球物理年的磁暴事件时，把磁暴主相分解为环电流磁场和极区扰动磁场（DP场）。由于极区扰动磁场的持续时间（1～2小时）较磁暴的持续时间短得多，而称为DP亚暴，也称地磁亚暴。DP亚暴就是伯克兰的极区元磁暴。因为极光活动和DP亚暴时间一致，故1964年赤祖父俊一又把极光活动称为极光亚暴。1968年，赤祖父俊一总结亚暴时的各种地面现象，认为它们都是磁层活动的结果，于是统称之为磁层亚暴。按目前流行的称呼，亚暴一词，若不冠以限定词，则等同于磁层亚暴。
亚暴现象 亚暴时磁尾和极光带电离层整体受扰，表现出光、电磁、等离子体多方面现象。其中了解得最清楚的是极光活动。
北半球亚暴起始时，在极光卵形带的子夜区，平静光弧（见极光）突然增亮。增亮区从光弧南缘向北扩展，约10～30分钟后扩展到最北缘，形成向北的凸出，称为极光隆起。这一阶段称为亚暴膨胀相，其极光形态如图1。
极光隆起向北扩展的同时，在极光卵形带黄昏区的天空中有极光结，由子夜区向西掠过，称为西行浪涌，沿卵形带的黄昏区出现明亮的光弧。极光的这种增亮和运动就是极光亚暴。
在极光增亮区，电离层西向电急流强度大增，电急流前缘随西行浪涌向西扩张，与电急流衔接的伯克兰电流幅度也大增。这时子夜区极光带附近的地磁台就记录到地磁场水平分量的下降，这就是DP亚暴。它的效应还可以伸延到中低纬度，但幅度要小得多，通常只有20～30纳特。这种扰动叠加在磁照图上，形似海湾，称为湾扰。随着极光隆起向北扩展，西向电急流也向北推移。在极光隆起区域，地面上还可以记录到Pi2地磁脉动。
亚暴是南北半球共轭的，共轭点上有相同现象。共轭点系指同一条磁力线截于南北半球地面的两点。
膨胀相中，距地心15个地球半径之内的等离子体片（或称近地等离子体片，见地球磁层）趋向于膨胀，其近地边缘向地球扩展，常侵入到同步轨道以内的环电流区(见磁暴)。在同步轨道卫星上可以记录到这些入侵的粒子。这些粒子在外辐射带中形成磁暴环电流，对应磁暴主相。在等离子体片近地边缘向地球扩展的同时，其外边缘向高纬扩展，在扩展的区域中有大量约104电子伏的电子沉降到极光带上空，在离地面一个地球半径左右的上空发出千米波辐射，同时在电离层高度上产生极光。膨胀了的近地等离子体片中的磁场方向，由平行于赤道面（尾相）转向垂直于赤道面(偶极相)。在此期间，远地等离子体片则倾向于收缩变薄。
当极光隆起到达最北端之后，亚暴膨胀相结束，亚暴恢复相开始，极光隆起向南退回，西向电急流和伯克兰电流均减弱。1～2小时后，极光和极区磁场恢复亚暴前状态，恢复相结束。恢复相中磁尾有激烈变化。原先变薄的远地等离子体片，此时迅速膨胀，其中粒子（主要是质子）被加热，温度由107K升至108K。
整个亚暴过程中，磁尾磁场和等离子体一直有剧烈的起伏，出现高速等离子体流(500～1000公里/秒)。等离子体流向和磁场起伏形态因时因地而异，还得不出系统的图像。
亚暴是磁尾的一种激烈而频繁的运动形式，磁扰日里几乎每天都发生数次。一次亚暴过程，要消耗 1014～1015焦耳能量，而磁尾的总能量也不超过1016焦耳。
亚暴常成串出现，时间间隔无规律。有时第一次尚未结束，第二次接踵而来，这称为叠发亚暴。每一次暴发来不及构成完整的膨胀相，而只是一次接一次的极光增亮。每次增亮的地点都较前次向北向西移动，各次的规模和持续时间也不尽相同。
亚暴的发生与行星际磁场和太阳风状态有密切关系，但表现比较复杂，还得不出简单的结论。一般来说，当行星际磁场持续一段时间偏南之后，就会发生一连串亚暴。
亚暴现象的解释 目前大都采用伯克兰电流体系对亚暴的物理过程作定性的说明。
伯克兰电流体系是太阳风－磁层发电机产生的电流体系。在远磁尾部分，太阳风-磁层发电机电流回路如图2a所示。
太阳风-磁层发电机电流从黄昏侧，沿磁层顶南北两侧分路流向黎明侧，汇合后沿等离子体片跨过磁尾从黎明侧流回黄昏侧，流过等离子体片的部分称跨尾电流。在近地磁尾中跨尾电流中断，太阳风-磁层发电机电流以图2b的方式回流:从磁层顶黎明侧沿磁力线流入极光带电离层的黎明侧，再沿电导率高的极光带电离层从黎明侧流向黄昏侧，然后从极光带电离层黄昏侧沿磁力线流到磁层顶黄昏侧。其中沿磁力线的段称为伯克兰电流，流经极光带电离层的段称西向电急流。整个电流体系称伯克兰电流体系。伯克兰电流的载荷子是极光粒子（它来源于等离子体片）和电离层热等离子体，总强度约106安。它源出于磁尾等离子体片，把磁尾中源的变化通过磁力线耦合到极光带电离层中，极光带电离层作为负载，反过来又把其电导率的分布通过磁力线与磁尾中的源(发电机效应)耦合起来。这整个太阳风-磁层-电离层耦合体系，决定了磁尾和极光带的行为，包括等离子体片的变薄变厚、向内向外运动，也包括其中的等离子体加速过程以及极光活动和极区地磁扰动等等。
伯克兰电流体系在磁层平静时也存在。亚暴现象就是由伯克兰电流体系的改道、调整和剧增引起的。亚暴现象解释的关键问题在于伯克兰电流体系为何和如何变化。
亚暴起因于太阳风与磁层相互作用，太阳风通过磁层顶把能量和动量不断输入到磁层中，这是伯克兰电流体系和跨尾电流体系的能源端。能量和动量是通过什么过程穿过磁层顶的？按经典的磁流体力学，太阳风是被排斥于磁层之外的，能量不可能进入磁层，能量动量穿过磁层需要有一些特殊的物理过程。有人认为是向阳面磁层磁场与行星际磁场的重联，有人认为是磁层顶的反常输运，也有人认为是从磁层顶极尖区的直接注入。
所谓重联是指两团来源不同的磁流体相遇时，其中冻结的磁场由原先的磁力线互不相通变为相互联结的过程。在发生重联的地点，磁场冻结条件被破坏，部分磁能转变为动能，并有部分带电粒子被加速。向阳面磁层磁场与行星际磁场重联的结果导致磁层开放。
所谓反常输运，是指除了热运动所引起的输运之外的输运过程。在磁层顶存在各种等离子体波动，这些波动会导致湍流场，从而产生输运过程。
过量能量输入磁尾，会导致磁尾偏离平静状态。但此时究竟是能量被贮存在磁尾中，然后突然释放出来发生亚暴，还是亚暴只是磁尾对输入能量的直接响应，对此也有不同看法。
存在问题及展望 磁层亚暴是磁层物理研究的重要课题。研究磁层亚暴的主要困难在于现象复杂，区域广，不同区域有不同表现，还做不到大面积、同时、持续的空间观测，因此很难得到一次亚暴事件的全磁层和电离层全貌图像。已有的图像多数是观测加上推测的结果，所以解释各异。研究工作的进展有赖于多卫星及卫星、火箭、地面的协同观测。
参考书目
S.-I.Akasofu， Polar Magnetospheric Substorm， D.Reidel Publ.Co.，Dordrecht，1968.
S.-I.Akasofu， Physics of Magnetospheric Substorms，D.Reidel Publ.Co.，Dordrecht，1977.