地球物理学中的等离子体

  等离子体不仅在宇宙中含量丰富，在太阳系中也大量存在。甚至在海拔高度100km的电离层及其外侧，都可以用等离子体物理的方法来处理。其中存在大量的不同类型的等离子体，其特征参量如温度、密度的变化范围很广。

一、太阳风

  太阳会发射很高电导率的等离子体，以大概 $500km/s$的超声速进入行星际空间。从而产生超声速膨胀的日冕。这种等离子体称为太阳风（Solar Wind），并且主要包含电子和质子，混合了5%的氦离子。由于这种高电导率，太阳的磁场被冻结在等离子体里面，并且被太阳风拖拽着向外扩张。在地球附近太阳风中电子密度和温度的典型值为 $n_e\approx 5 cm^{-3}$， $T_e\approx 10^5K$，行星际磁场的量级大约为 $5nT$。
  当太阳风撞击到地球的偶极磁场时，它不能简单地穿过，而是被减速、拉长并且偏离。由于太阳风以超音速撞击到障碍物，这会产生弓击波（bow shock wave），在其中等离子体会被减速，并且一部分粒子的动能会被转化为热能。在弓击波后面被加热的亚音速区域称为磁鞘（magnetosheath），其中的等离子体比太阳风中的等离子体更密、更热，磁场强度也更高。

二、磁层

  在磁鞘中被冲击的等离子体也不能简单地穿过地球磁场，而是大部分被偏离。这是行星际磁场无法穿透地球磁场产生的结果。并且在高电导率等离子体中，太阳风中的等离子体与行星际磁场冻结在一起，无法离开磁力线。
  区分这两个不同区域的分界区被称为磁层顶（magnetopause）。地球磁场所形成的区域称为磁层（magnetosphere）。太阳风中等离子体的动压使地球的偶极磁场变形。在面向太阳的一侧磁场被压缩，而在夜侧，磁场被拉伸成很长的磁尾（magnetotail），它远远超出月球的轨道。
  磁层中的等离子体主要包含电子和质子，这些粒子主要来自太阳风和地球的电离层。此外，还有少量的来自电离层的 $He^+$和 $O^+$，以及一些来自太阳风中的 $He^{++}$。然而，磁层侧的等离子体并不是均匀地分布，而是由不同的温度和密度成团地分布在不同的区域。
  辐射带位置 $2$到 $6R_E$（1地球半径大约为 $6371km$）的偶极场区域。它包含沿着磁力线运动的高能电子和离子，它们在两个半球之间来回运动。辐射带中典型的电子密度和温度为 $n_e\approx 1cm^{-3}$， $T_e\approx5\times 10^7K$，磁场强度的范围为100到 $1000nT$。
  大部分磁尾等离子体主要集中在尾部中间平面厚度大约为 $10R_E$的等离子体片内。在地球附近，它连接高纬极光电离层区域的磁力线。在等离子体片内，平均电子密度和温度为 $n_e\approx 0.5cm^{-3}$， $T_e\approx 5\times 10^6K$，磁场强度 $B\approx10nT$。
  磁尾的外部称为磁尾叶区（magnetotail lobe）。它包含非常稀薄的等离子体，在这个区域电子密度温度和磁场的典型值为 $n_e\approx 10^{-2}$， $T_e \approx 5 \times 10^5K$及 $B\approx 10nT$。

三、电离层

  当太阳光中的紫外线照射到地球大气时，会使部分大气电离。在海拔大概 $80km$处，碰撞频率很低，从而产生永久电离，形成电离层（ionosphere）。中纬电离层中典型的电子密度和温度为 $n_e\approx 10^5cm^{-3}$， $T_e \approx 10^3K$，磁场强度的量级为 $10^4nT$。
  电离层可以扩展到高纬，在中低纬通常与等离子体层（plasmasphere）融合。等离子体层是位于辐射带的纺锤状区域。它包含电离层区域冷而密的等离子体（ $n_e\approx 5 \times 10^2cm^{-3}$， $T_e \approx 5 \times 10^3K$），它与地球一起旋转。在赤道面，等离子体层向外延伸出去大概 $4R_E$，等离子体密度急剧下降到 $1cm^{-3}$，这个边界层称为等离子体层顶（plasmapause）。
  在高纬等离子体片中，电子可以沿着磁力线下沉到电离层中，与大气粒子碰撞并使其电离。其中产生的一个副作用是，在这个过程中质子被激发出来并产生极光（aurora）。通常在极光卵（auroral oval）区域可以观测到这些极光，极光卵包含了穿过等离子体片的那些磁力线。极光卵包含极圈（polar cap），其上连接尾叶的磁力线。