高纬电离层电动力学

1、高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 共旋电场共旋电场 在相

2、对太阳静止的参考系中测量到的电场为：在相对太阳静止的参考系中测量到的电场为： 其中其中 为地球自旋的角速度（每小时为地球自旋的角速度（每小时1515度）度） R E(r ) B 物理含义：物理含义：由于大气的粘制作用，位于底部的等离子体由于大气的粘制作用，位于底部的等离子体 将与地球一起转动，根据磁冻结原理，地球磁场的磁将与地球一起转动，根据磁冻结原理，地球磁场的磁 力线又将带动上层等离子体与地球共转，将受到洛仑力线又将带动上层等离子体与地球共转，将受到洛仑 兹力（兹力（ ）的作用，产生电荷分离，在等离子）的作用，产生电荷分离，在等离子 体内形成极化电场，这个极化电场就是共旋电场。体内形成极化

3、电场，这个极化电场就是共旋电场。 B) r(qF 共旋电场的作用使得等离子体的漂移速度和地球的旋转速度一致共旋电场的作用使得等离子体的漂移速度和地球的旋转速度一致 高纬电离层电动力学 对流电场对流电场 + + 共旋电场共旋电场 旋转效应使对旋转效应使对 流图发生畸变。流图发生畸变。 计入共转效应计入共转效应 后，两个对流后，两个对流 单元是不同的。单元是不同的。 黄昏侧，回流黄昏侧，回流 和共转作用在和共转作用在 相反的方向，相反的方向， 因此黄昏对流因此黄昏对流 单元有显著的单元有显著的 畸变。畸变。 高纬电离层电动力学 南向南向IMF，高纬，高纬F层等离子体对流示例，每一条流线都是等势线层

4、等离子体对流示例，每一条流线都是等势线 图中虚线为图中虚线为极盖，即中心位于离磁极午夜一侧约极盖，即中心位于离磁极午夜一侧约5 ，半径约，半径约15 的园的园。 (a) 未考虑共旋电场未考虑共旋电场(b) 考虑共旋电场考虑共旋电场 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 昼侧高纬电离层对流图像的示意图。可以看出当昼侧高纬电离层对流图像的示意图。可以看出当Bz为南向时，为南向时， 对流图像对行星际磁场对流图像对行星际磁场y分量的依赖。分量的依赖。 高纬电离层电动力学 夜侧高纬电离层对流图样的示意图。可以看出存在各种变化。夜侧高纬电离层对流图样的示意图。可以看出存在各种变化。 观测到图观测到图a和

5、和d的对流图样更频繁。的对流图样更频繁。 高纬电离层电动力学 当当IMF有北向分量时昼侧对流几何构形有北向分量时昼侧对流几何构形 的主要特征。的主要特征。 最显著的特征是有四个对流单元。对流图样对最显著的特征是有四个对流单元。对流图样对By的依赖导致一个为的依赖导致一个为 主的高纬单元和三单元化的图样同时出现。主的高纬单元和三单元化的图样同时出现。 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 来自经验对流模式的来自经验对流模式的 电势等值线图电势等值线图。 磁层电场或等离子体对磁层电场或等离子体对 流的经验模式基于大量流的经验模式基于大量 卫星测量数据构造。卫星测量数据构造。 模式可以得到对所有的

6、模式可以得到对所有的 IMF(BIMF(By y,B,Bz z) )组合和不同组合和不同 IMFIMF大小范围内的电场图大小范围内的电场图 像。上图是对像。上图是对IMFIMF大于大于 7.25nT7.25nT的情况得到，同的情况得到，同 时不包括共转。时不包括共转。 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 电离层和磁层电流之间可能的耦合。电离层和磁层电流之间可能的耦合。 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 高纬电离层电动力学 当当ChatanikaChatanika非相干散射雷达位于极光卵内时测量的电子密度。非相干散射雷达位于极光卵内时测量的电子密

7、度。 两次高度两次高度- -纬度扫描分开大约纬度扫描分开大约10min10min。注意电子密度特别是在低电离层中的迅速增强。注意电子密度特别是在低电离层中的迅速增强。 高纬电离层电动力学 极极 光光 v磁尾的高能粒子（主要是电子）沉降到极区磁尾的高能粒子（主要是电子）沉降到极区 电离层高度，撞击中性大气，使其产生受激电离层高度，撞击中性大气，使其产生受激 辐射而发光。极光一般发生在极区辐射而发光。极光一般发生在极区100-400100-400 公里高度，经常出现产生极光的区域形成一公里高度，经常出现产生极光的区域形成一 个环状的带，称为极光椭圆带，大约在地磁个环状的带，称为极光椭圆带，大约在地

8、磁 纬度纬度67-7767-77度，但在强磁暴时也可能在低纬度，但在强磁暴时也可能在低纬 看到。看到。 高纬电离层电动力学 极光研究的历史极光研究的历史 极光是人类所了解的最古老的地球物理现象，几千年前，就有极光观测的极光是人类所了解的最古老的地球物理现象，几千年前，就有极光观测的 纪录。不过，仅在纪录。不过，仅在 2020 世纪后期，对极光现象才有比较合理的解释。世纪后期，对极光现象才有比较合理的解释。 极光是高纬电离层的标志性现象，也是最容易观测到的磁层动力学的结果。极光是高纬电离层的标志性现象，也是最容易观测到的磁层动力学的结果。 直到直到 2020 世纪世纪 5050 年代初期，人们才证明，极光发射的直接原因是沉降的高年代初期，人们才证明，极光发射的直接原因是沉降的高 能粒子造成的高层大气气体的激发。能粒子造成的高层大气气体的激发。19581958 年火箭发射进入极光，才鉴别出年火箭发射进入极光，才鉴别出 高能电子是主要的激发源。高能电子是主要的激发源。 极光的经典研究仅限于可见极光。极光的经典研究仅限于可见极光。 极光的现象学研究，目的是描绘极光出现的时间和空间的图像，并确定每极光的现象学研究，目的是描绘极光出现的时间和空间的图像，并确定每 一次极光活动的详细结构；一次极光活动的详细结构； 极光谱的研究，涉及