地磁场与太阳风的相互作用形成了磁层。磁层的最外边界层称为磁层顶，它定义了磁层的大小。磁层可以使来自太阳的高能粒子偏转方向，对地球生物、人造卫星和空间站等形成有效的保护（图1）。磁层顶的位置是由地磁场压力和太阳风压力平衡决定的。通常情况下地球磁层顶日下点距离位于10个地球半径附近。但是在极端太阳风条件下，磁层顶会压缩至同步轨道以内。这将导致同步轨道卫星故障风险大大增加。过去对磁层顶位置的研究仅考虑太阳风动压及行星际磁场等外部驱动因素。为了预测磁层顶的位置及位形，研究者们基于不同的磁层顶穿越事件的数据库建立了大量的磁层顶经验模型。但所有这些模型都只是针对当前的地磁场强度所建立。实际上，自19世纪人们开始对地磁场进行连续的常规观测以来，地磁偶极磁场强度平均每百年衰减5-7%。地磁场的快速衰减将直接影响着磁层顶的位置。 

中科院地质地球所地球与行星物理重点实验室助理研究员钟俊和万卫星研究员等人建立了一个同时受地磁偶极矩和太阳风条件控制的磁层顶模型，并利用该模型对几个世纪的磁层顶长期变化进行研究。研究结果发现，按照当前地磁场衰减速度，磁层顶平均每百年向内缩小2000公里（图2a）。他们通过地磁场的衰减以及太阳风条件的变化两个因素对同步轨道暴露在太阳风中的风险进行定量评估，在行星际磁场北向（南向）期间，导致同步轨道磁层顶穿越事件的太阳风动压阈值将在下个世纪减小约4nPa(2nPa)。根据该模型的预测，如果当前地磁场衰减趋势不变，大约六百年后，地球磁场强度将减弱到古太古代的水平，即使在正常太阳风条件下，向阳测同步轨道30%区域将长期暴露于太阳风中（图2b）。这些结果表明，地磁场的长期变化将对空间气候的影响起着至关重要的作用。

图1 地球磁层顶阻挡太阳风粒子示意图

图2 （a）模型预测未来几个世纪磁层顶位置随地球偶极磁场衰减的长期变化；

（b）通过地磁场的衰减以及太阳风条件的变化两个因素来定量评估同步轨道暴露在太阳风中的风险，其中横坐标为地方时（下）及同步轨道暴露太阳风中的比例（上），纵坐标为太阳风动压。

        该项研究成果近期发表在美国地球物理期刊Journal of Geophysical Research（Zhong et al. Increasing exposure of geosynchronous orbit in solar wind due to decay of Earth's dipole field. Journal of Geophysical Research, 2014, 119: 9816–9822）。

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