高緯電離層電動(dòng)力學(xué)

1、會(huì)計(jì)學(xué)1高緯電離層電動(dòng)力學(xué)高緯電離層電動(dòng)力學(xué)第1頁/共58頁第2頁/共58頁第3頁/共58頁第4頁/共58頁第5頁/共58頁第6頁/共58頁第7頁/共58頁第8頁/共58頁第9頁/共58頁第10頁/共58頁第11頁/共58頁第12頁/共58頁第13頁/共58頁第14頁/共58頁第15頁/共58頁第16頁/共58頁第17頁/共58頁第18頁/共58頁第19頁/共58頁第20頁/共58頁第21頁/共58頁第22頁/共58頁第23頁/共58頁第24頁/共58頁第25頁/共58頁第26頁/共58頁共旋電場(chǎng)共旋電場(chǎng) 在相對(duì)太陽靜止的參考系中測(cè)量到的電場(chǎng)為：在相對(duì)太陽靜止的參考系中測(cè)量到的電場(chǎng)為：其中其中

2、 為地球自旋的角速度（每小時(shí)為地球自旋的角速度（每小時(shí)1515度）度）RE(r ) B 物理含義：物理含義：由于大氣的粘制作用，位于底部的等離子體由于大氣的粘制作用，位于底部的等離子體將與地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)磁凍結(jié)原理，地球磁場(chǎng)的磁將與地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)磁凍結(jié)原理，地球磁場(chǎng)的磁力線又將帶動(dòng)上層等離子體與地球共轉(zhuǎn)，將受到洛侖力線又將帶動(dòng)上層等離子體與地球共轉(zhuǎn)，將受到洛侖茲力（茲力（ ）的作用，產(chǎn)生電荷分離，在等離子）的作用，產(chǎn)生電荷分離，在等離子體內(nèi)形成極化電場(chǎng)，這個(gè)極化電場(chǎng)就是共旋電場(chǎng)。體內(nèi)形成極化電場(chǎng)，這個(gè)極化電場(chǎng)就是共旋電場(chǎng)。B) r(qF共旋電場(chǎng)的作用使得等離子體的漂移速度和地球的旋轉(zhuǎn)速度

3、一致共旋電場(chǎng)的作用使得等離子體的漂移速度和地球的旋轉(zhuǎn)速度一致第27頁/共58頁旋轉(zhuǎn)效應(yīng)使對(duì)旋轉(zhuǎn)效應(yīng)使對(duì)流圖發(fā)生畸變流圖發(fā)生畸變。計(jì)入共轉(zhuǎn)效。計(jì)入共轉(zhuǎn)效應(yīng)后，兩個(gè)對(duì)應(yīng)后，兩個(gè)對(duì)流單元是不同流單元是不同的。黃昏側(cè)，的。黃昏側(cè)，回流和共轉(zhuǎn)作回流和共轉(zhuǎn)作用在相反的方用在相反的方向，向，因此黃昏因此黃昏對(duì)流單元有顯對(duì)流單元有顯著的畸變。著的畸變。第28頁/共58頁南向南向IMF，高緯，高緯F層等離子體對(duì)流示例，每一條流線都是等勢(shì)線層等離子體對(duì)流示例，每一條流線都是等勢(shì)線圖中虛線為圖中虛線為極蓋，即中心位于離磁極午夜一側(cè)約極蓋，即中心位于離磁極午夜一側(cè)約5 ，半徑約，半徑約15 的園的園。(a) 未考慮共

4、旋電場(chǎng)未考慮共旋電場(chǎng)(b) 考慮共旋電場(chǎng)考慮共旋電場(chǎng)第29頁/共58頁第30頁/共58頁晝側(cè)高緯電離層對(duì)流圖像的示意圖?？梢钥闯霎?dāng)晝側(cè)高緯電離層對(duì)流圖像的示意圖?？梢钥闯霎?dāng)Bz為南向時(shí)，為南向時(shí)，對(duì)流圖像對(duì)行星際磁場(chǎng)對(duì)流圖像對(duì)行星際磁場(chǎng)y分量的依賴。分量的依賴。第31頁/共58頁夜側(cè)高緯電離層對(duì)流圖樣的示意圖?？梢钥闯龃嬖诟鞣N變化。夜側(cè)高緯電離層對(duì)流圖樣的示意圖。可以看出存在各種變化。觀測(cè)到圖觀測(cè)到圖a和和d的對(duì)流圖樣更頻繁。的對(duì)流圖樣更頻繁。第32頁/共58頁當(dāng)當(dāng)IMF有北向分量時(shí)晝側(cè)對(duì)流幾何構(gòu)形有北向分量時(shí)晝側(cè)對(duì)流幾何構(gòu)形 的主要特征。的主要特征。最顯著的特征是有四個(gè)對(duì)流單元。對(duì)流圖樣對(duì)最

5、顯著的特征是有四個(gè)對(duì)流單元。對(duì)流圖樣對(duì)By的依賴導(dǎo)致一個(gè)為的依賴導(dǎo)致一個(gè)為主的高緯單元和三單元化的圖樣同時(shí)出現(xiàn)。主的高緯單元和三單元化的圖樣同時(shí)出現(xiàn)。第33頁/共58頁第34頁/共58頁來自經(jīng)驗(yàn)對(duì)流模式的來自經(jīng)驗(yàn)對(duì)流模式的電勢(shì)等值線圖電勢(shì)等值線圖。磁層電場(chǎng)或等離子體對(duì)磁層電場(chǎng)或等離子體對(duì)流的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ交诖罅苛鞯慕?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ交诖罅啃l(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)造。衛(wèi)星測(cè)量數(shù)據(jù)構(gòu)造。模式可以得到對(duì)所有的模式可以得到對(duì)所有的IMF(BIMF(By y,B,Bz z) )組合和不同組合和不同IMFIMF大小范圍內(nèi)的電場(chǎng)圖大小范圍內(nèi)的電場(chǎng)圖像。上圖是對(duì)像。上圖是對(duì)IMFIMF大于大于7.25nT7.25nT的情況得到，同

6、的情況得到，同時(shí)不包括共轉(zhuǎn)。時(shí)不包括共轉(zhuǎn)。第35頁/共58頁第36頁/共58頁電離層和磁層電流之間可能的耦合。電離層和磁層電流之間可能的耦合。 第37頁/共58頁第38頁/共58頁第39頁/共58頁第40頁/共58頁第41頁/共58頁 當(dāng)當(dāng)ChatanikaChatanika非相干散射雷達(dá)位于極光卵內(nèi)時(shí)測(cè)量的電子密度。非相干散射雷達(dá)位于極光卵內(nèi)時(shí)測(cè)量的電子密度。兩次高度兩次高度- -緯度掃描分開大約緯度掃描分開大約10min10min。注意電子密度特別是在低電離層中的迅速增強(qiáng)。注意電子密度特別是在低電離層中的迅速增強(qiáng)。 第42頁/共58頁第43頁/共58頁 極光是人類所了解的最古老的地球物理現(xiàn)

7、象，幾千年前，就有極光觀測(cè)的極光是人類所了解的最古老的地球物理現(xiàn)象，幾千年前，就有極光觀測(cè)的紀(jì)錄。不過，僅在紀(jì)錄。不過，僅在 2020 世紀(jì)后期，對(duì)極光現(xiàn)象才有比較合理的解釋。世紀(jì)后期，對(duì)極光現(xiàn)象才有比較合理的解釋。 極光是高緯電離層的標(biāo)志性現(xiàn)象，也是最容易觀測(cè)到的磁層動(dòng)力學(xué)的結(jié)果。極光是高緯電離層的標(biāo)志性現(xiàn)象，也是最容易觀測(cè)到的磁層動(dòng)力學(xué)的結(jié)果。 直到直到 2020 世紀(jì)世紀(jì) 5050 年代初期，人們才證明，極光發(fā)射的直接原因是沉降的高年代初期，人們才證明，極光發(fā)射的直接原因是沉降的高能粒子造成的高層大氣氣體的激發(fā)。能粒子造成的高層大氣氣體的激發(fā)。19581958 年火箭發(fā)射進(jìn)入極光，才鑒別

8、出年火箭發(fā)射進(jìn)入極光，才鑒別出高能電子是主要的激發(fā)源。高能電子是主要的激發(fā)源。 極光的經(jīng)典研究?jī)H限于可見極光。極光的經(jīng)典研究?jī)H限于可見極光。 極光的現(xiàn)象學(xué)研究，目的是描繪極光出現(xiàn)的時(shí)間和空間的圖像，并確定每極光的現(xiàn)象學(xué)研究，目的是描繪極光出現(xiàn)的時(shí)間和空間的圖像，并確定每一次極光活動(dòng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)；一次極光活動(dòng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)； 極光譜的研究，涉及發(fā)射的光、它的譜和極光譜的研究，涉及發(fā)射的光、它的譜和在光化學(xué)中的起源。在光化學(xué)中的起源。 第44頁/共58頁可見極光示例可見極光示例 第45頁/共58頁第46頁/共58頁第47頁/共58頁極光橢圓極光橢圓( (極光卵極光卵) )第48頁/共58頁第49頁/共5

9、8頁第50頁/共58頁1 1、試從太陽風(fēng)、試從太陽風(fēng)- -磁層磁層- -電離層系統(tǒng)耦合的角度綜合闡述高緯電離電離層系統(tǒng)耦合的角度綜合闡述高緯電離層電場(chǎng)及其起源。層電場(chǎng)及其起源。2 2、試說明在高緯電離層中電場(chǎng)與電流的一般關(guān)系。、試說明在高緯電離層中電場(chǎng)與電流的一般關(guān)系。3 3、試說明南向、試說明南向IMFIMF期間電離層對(duì)流圖像的主要特征及其與期間電離層對(duì)流圖像的主要特征及其與IMFIMF的的聯(lián)系。聯(lián)系。4 4、試說明高緯電離層場(chǎng)向電流的主要特征及其在太陽風(fēng)、試說明高緯電離層場(chǎng)向電流的主要特征及其在太陽風(fēng)- -磁層磁層- -電離層系統(tǒng)耦合中所起的作用。電離層系統(tǒng)耦合中所起的作用。5 5、分析影

10、響極區(qū)電離層、分析影響極區(qū)電離層F F層等離子體運(yùn)動(dòng)的各種因素及其相對(duì)重層等離子體運(yùn)動(dòng)的各種因素及其相對(duì)重要性。要性。第51頁/共58頁第52頁/共58頁第53頁/共58頁第54頁/共58頁共旋電場(chǎng)共旋電場(chǎng) 在相對(duì)太陽靜止的參考系中測(cè)量到的電場(chǎng)為：在相對(duì)太陽靜止的參考系中測(cè)量到的電場(chǎng)為：其中其中 為地球自旋的角速度（每小時(shí)為地球自旋的角速度（每小時(shí)1515度）度）RE(r ) B 物理含義：物理含義：由于大氣的粘制作用，位于底部的等離子體由于大氣的粘制作用，位于底部的等離子體將與地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)磁凍結(jié)原理，地球磁場(chǎng)的磁將與地球一起轉(zhuǎn)動(dòng)，根據(jù)磁凍結(jié)原理，地球磁場(chǎng)的磁力線又將帶動(dòng)上層等離子體與地球共轉(zhuǎn)，將受到洛侖力線又將帶動(dòng)上層等離子體與地球共轉(zhuǎn)，將受到洛侖茲力（茲力（ ）的作用，產(chǎn)生電荷分離，在等離子）的作用，產(chǎn)生電荷分離，在等離子體內(nèi)形成極化電場(chǎng)，這個(gè)極化電場(chǎng)就是共旋電場(chǎng)。體內(nèi)形成極化電場(chǎng)，這個(gè)極化電場(chǎng)就是共旋電場(chǎng)。B) r(qF共旋電場(chǎng)的作用使得等離子體的