电离层电场与电流课件.ppt

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1、电离层电场与电流,1.电离层电流的重要性和特点2.Sq的形态学特征和发电机理论4.L的形态学特征和发电机理论5.高纬度地磁变化和电流体系,全部材料由徐文耀教授提供，衷心感谢徐教授的支持！,1.电离层电流与电场的重要性和特点,重要性：电离层电流最接近地面（90-150公里高度），是大多数地面地磁变化的直接原因。主要电流：(1)电离层发电机电流产生了Sq和L；(2)场向电流注入电离层，驱动西向和东向极光带电集流，形成亚暴；(3)赤道电集流产生“洪伽约现象”，它起源于赤道特殊的磁场位形。,电离层特点（与磁层比较）,（1）密度大，粒子自由程小，碰撞效应不可忽略（而磁层是无碰撞等离子体），碰撞引起动量传

2、输，于是电导率和焦耳加热就有意义了。,（2）中性粒子占优势，所以，带电粒子与中性粒子的碰撞是主要的。中性风对电离层等离子体的运动起着控制作用。反之，离子曳力对中性风也有重要作用。,（3）因地磁场存在而呈现各向异性，其程度和表现随高度而变，所以，同样的电场在不同高度引起的电流体系有很大差异。,（4）耦合复杂，上面通过场向电流与磁层耦合，下面通过动力学和热力学过程与中层大气耦合，中间与热层耦合。,考虑到这些特点，研究电离层问题需要使用广义欧姆定律和电导率张量。,广义欧姆定律,欧姆定律描述电流、电场和电导率的关系。（1）电离层是磁化等离子体，电流不一定沿电场方向流动，因而标量电导率需代之以张量电导率

3、。（2）电离层介质处于运动状态，因此，除了因电荷积累而产生的静电场外，导电介质在磁场中运动会产生感应电场。为此，必须把简单欧姆定律扩展为MHD流体中的广义欧姆定律,两个重要因素：电场和电导率,广义欧姆定律,考虑等离子体中的静电场和感应电场，广义欧姆定律可写成,z,x,y,电离层电导率,电离层电导率和层电导率,皮德森电导率,霍尔电导率,平行电导率,决定电离层电导率的5个因素,粒子密度 n 测量粒子电荷 q 测量磁场 B 偶极子模型有效碰撞频率 用测量值计算回旋频率 计算,电离层电子密度的底部和顶部探测,反射频率,等离子体频率,等离子体密度,电离层成分的火箭卫星和遥感测定,中性成分密度大的多,E层

4、主要成分是O2和NO离子,F1F2层主要成分是O离子,层电导率,电离层的异常结构之一赤道电集流和极光带电集流,N,赤道电集流柯林电导率,B,极光带电集流和场向电流,B,B,在电导率增大的通道内（极光带），初始西向电场驱动北向Hall电流，该电流在高导通道北边缘积累正电荷，南部边缘积累负电荷。这些电荷一部分被场向电流带走，剩余部分产生南向极化电场，驱动南向极化电流，它和没有与场向电流构成回路的那一部分电流抵消。由初始电场和二次极化电场产生的西向电流迭加在一起，形成了强大的西向Cowling电流。,电离层的异常结构之二喷泉效应和赤道电离层异常,电离层发电机区的高度范围,由于磁力线一般并不垂直于电离

5、层，所以需要由 和 计算出沿电离层面的水平电导率：,柯林电导率,2.Sq的形态学特征和发电机理论单台Sq的形态和付氏分析,Sq的纬度特点,3个台站Sq的年变化,Sq三要素强度的纬度-LT分布,Sq电流体系示意图,Sq电流体系的季节变化,3月,6月,9月,12月,不同作者的结果,Chapman and Bartels,Sugiura and Heppner 1965,Matsushita 1967,Matsushita 1969,4个低纬台站的H太阳日变化曲线洪伽约现象,磁纬5度以内的3个台站,磁纬大于5度的3个台站,极区Sq电流体系与全球电流的关系,Sq内外源电流体系,内外源电流焦点在一天中的

6、变化,二维电离层的广义欧姆定律,Sq的发电机理论,假定电离层上下表面没有电流进或流出，则有电流连续方程,满足连续方程的电流函数是,其分量形式是,已知电导率、运动速度和磁场，可以在给定边界条件下求解上面发电机方程，得到电流函数和静电位,两种解法：,（1）用电流函数表示的发电机方程,电离层有效电阻率,（2）用静电位表示的发电机方程,Sq发电机电流,对Sq贡献最大的潮汐风分量是(1，-1)模，,哈夫函数可以用缔合勒让德函数表示,S(1，-1)模,3、L的形态学特征和发电机机制,用100个地磁台反演的L等效电流体系,L的发电机机制,对L贡献最大的潮汐风分量是(2，2)模,L(2,2),从地面磁场得到的L等效电流体系(左)与发电机电流体系(右)的比较,不同作者的结果,Chapman,Matshushita and Xu 1984,4、高纬度日变化,Maeda认为：高纬度太阳日变化=中纬度Sq向高纬度的延伸+(即DP2),起源：磁层对流，也就是说，其生成机制伴随着磁扰。如此说来，高纬度日变化与中低纬度Sq有相似的名称和记号，却又完全不同的起源。,极区电流体系Sqp(DP2),亚暴时的极区电流DP1+DP2,场向电流产生的电离层电流体系,考虑场向电流时，电流连续方程变为,谢谢！,