电离层电场与电流PPT课件

1、1.电离层电流与电场的重要性和特点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。 第1页/共58页电离层特点（与磁层比较）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），碰撞引起动量传输，于是电导率和焦耳加热就有意义了。0500100015002000250030000.110100010000

2、01E71E9 ne(m)Altitude (km)MEAN FREE PATH OF ELECTRON IN THE IONOSPHERE第2页/共58页（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。0500100015002000250030001E-131E-121E-111E-101E-91E-81E-71E-61E-51E-41E-30.010.11ne/nnAltitude (km) E05001000150020002500300010010001000010000010000001E7

3、1E81E91E101E111E121E131E141E15nn(cm-3)Altitude (km) F第3页/共58页（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。 第4页/共58页（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。第5页/共58页广义欧姆定律广义欧姆定律 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。 （2）电离层

4、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 JEEEuB ()()si两个重要因素：电场和电导率第6页/共58页JExyz120EEExxz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 JEuBBEuBEPHB()()/), 0 ,(zxEEEB ( , ,)0 0 Bz xy第7页/共58页电离层电导率第8页/共58页电离层电导率和层电导率电离层电导率和层电导率 122100000)0 ,(yxEEEB ( , ,)0 0 Bz xy)()(22221eneenein

5、iiniBnq)()(2222222eneeiniiBnq0eneiniBnq皮德森电导率 霍尔电导率 平行电导率 第9页/共58页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mqB/第10页/共58页电离层电子密度的底部和顶部探电离层电子密度的底部和顶部探测测反射频率等离子体频率等离子体密度第11页/共58页电离层成分的火箭卫星和遥感测电离层成分的火箭卫星和遥感测定定中性成分密度大的多E层主要成分是O2和NO离子F1F2层主要成分是O离子第12页/共58页图6.23 中纬度夏季正午电离层电导率的高度变化层电导率第1

6、3页/共58页电离层的异常结构之一赤道电集流和极光带电集流N第14页/共58页赤道电集流柯林电导率B第15页/共58页极光带电集流和场向电流BB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。第16页/共58页电离层的异常结构之二喷泉效应和赤道电离层异常第17页/共58页电离层发电机区的高度范围第18页/共58页由于磁力

7、线一般并不垂直于电离层，所以需要由 和 计算出沿电离层面的水平电导率： 1 02010232/sin/(sincos)/qI qIIq12qII0212sincos12213/柯林电导率第19页/共58页2. Sq的形态学特征和发电机理论单台Sq的形态和付氏分析第20页/共58页Sq的纬度特点第21页/共58页3个台站Sq的年变化第22页/共58页Sq三要素强度的纬度-LT分布第23页/共58页Sq电流体系示意图第24页/共58页Sq电流体系的季节变化3月6月9月12月第25页/共58页不同作者的结果Chapman and BartelsSugiura and Heppner 1965第26页

8、/共58页Matsushita 1967Matsushita 1969第27页/共58页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个台站第28页/共58页极区Sq电流体系与全球电流的关系第29页/共58页Sq内外源电流体系第30页/共58页内外源电流焦点在一天中的变化第31页/共58页二维电离层的广义欧姆定律 IEE ()siEEuBsirrrrB uB u sinIB urB urIB urB urrrrr sinsinSq的发电机理论第32页/共58页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 I0满足连续方程的电流函数是 I rJ其分量形式是

9、 IrJIrJ 11sin第33页/共58页11rJB urB urrJB urB urrrrrsin()(sin)()(sin) 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 J两种解法： 第34页/共58页 （1） 用电流函数表示的发电机方程 RJRJrB Vrsinsin第二式第一式第二式第一式 RJRJrB VrsinRi jijij ( , )电离层有效电阻率 第35页/共58页AJBJCJDJF( , )( , )( , )( , )( , ) 2222ARBRCRRDRRFrB urB urr( , )sin( , )sin( , )(

10、sin )( , )(sin)( , )()( sin) 第36页/共58页 （2）用静电位表示的发电机方程 ABCDF( , )( , )( , )( , )( , ) 2222ABCDFrBuuBuurr( , )sin( , )sin( , )(sin )( , )(sin)( , )sin ()() 第37页/共58页Sq发电机电流 对Sq贡献最大的潮汐风分量是(1，-1)模，uAfddfuAffdd221 10221 101(cot)( )sin()(cossin)( )cos(),.f 05 . cos哈夫函数可以用缔合勒让德函数表示1 1113151710077250057900

11、00748000388,( ).( ).( ).( ).( )PPPP第38页/共58页S(1，-1)模第39页/共58页发电机电流体系(a)、电流矢量(b)、静电场(c)和总电场(d)第40页/共58页3、L的形态学特征和发电机机制第41页/共58页用100个地磁台反演的L等效电流体系第42页/共58页L的发电机机制 对L贡献最大的潮汐风分量是(2，2)模 uAfddfuAffdd222 20222 202222(cot)( )sin()(cossin)( )cos(),2 22242628210203092650115939001545000010320000049,( ).( ).( ).( ).( ).( )PPPPP第43页/共58页第44页/共58页L(2,2)太阴时09时发散太阴时15时汇聚21时发散03时汇聚第45页/共58页从地面磁场得到的L等效电流体系(左)与发电机电流体系(右)的比较第46页/共58页不同作者的结果Chapman第47页/共58页Matshushita and Xu 1984第48页/共58页4、高纬度日变化、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)pqS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