電離層電場(chǎng)與電流課件

電離層電場(chǎng)與電流1.電離層電流的重要性和特點(diǎn)2.Sq的形態(tài)學(xué)特征和發(fā)電機(jī)理論4.L的形態(tài)學(xué)特征和發(fā)電機(jī)理論5.高緯度地磁變化和電流體系全部材料由徐文耀教授提供，衷心感謝徐教授的支持！

電離層電場(chǎng)與電流1.電離層電流的重要性和特點(diǎn)全部材料由徐文11.電離層電流與電場(chǎng)的重要性和特點(diǎn)

重要性：電離層電流最接近地面（90-150公里高度），是大多數(shù)地面地磁變化的直接原因。主要電流：(1)電離層發(fā)電機(jī)電流產(chǎn)生了Sq和L；(2)場(chǎng)向電流注入電離層，驅(qū)動(dòng)西向和東向極光帶電集流，形成亞暴；(3)赤道電集流產(chǎn)生“洪伽約現(xiàn)象”，它起源于赤道特殊的磁場(chǎng)位形。1.電離層電流與電場(chǎng)的重要性和特點(diǎn)重要性：電離層電流最接近2電離層特點(diǎn)（與磁層比較）（1）密度大，粒子自由程小，碰撞效應(yīng)不可忽略（而磁層是無(wú)碰撞等離子體），碰撞引起動(dòng)量傳輸，于是電導(dǎo)率和焦耳加熱就有意義了。電離層特點(diǎn)（與磁層比較）（1）密度大，粒子自由程小，碰撞效應(yīng)3（2）中性粒子占優(yōu)勢(shì)，所以，帶電粒子與中性粒子的碰撞是主要的。中性風(fēng)對(duì)電離層等離子體的運(yùn)動(dòng)起著控制作用。反之，離子曳力對(duì)中性風(fēng)也有重要作用。（2）中性粒子占優(yōu)勢(shì)，所以，帶電粒子與中性粒子的碰撞是主要的4（3）因地磁場(chǎng)存在而呈現(xiàn)各向異性，其程度和表現(xiàn)隨高度而變，所以，同樣的電場(chǎng)在不同高度引起的電流體系有很大差異。

（3）因地磁場(chǎng)存在而呈現(xiàn)各向異性，其程度和表現(xiàn)隨高度而變，所5（4）耦合復(fù)雜，上面通過(guò)場(chǎng)向電流與磁層耦合，下面通過(guò)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程與中層大氣耦合，中間與熱層耦合?？紤]到這些特點(diǎn)，研究電離層問(wèn)題需要使用廣義歐姆定律和電導(dǎo)率張量。（4）耦合復(fù)雜，上面通過(guò)場(chǎng)向電流與磁層耦合，下面通過(guò)動(dòng)力學(xué)和6廣義歐姆定律歐姆定律描述電流、電場(chǎng)和電導(dǎo)率的關(guān)系。（1）電離層是磁化等離子體，電流不一定沿電場(chǎng)方向流動(dòng)，因而標(biāo)量電導(dǎo)率需代之以張量電導(dǎo)率。（2）電離層介質(zhì)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，除了因電荷積累而產(chǎn)生的靜電場(chǎng)外，導(dǎo)電介質(zhì)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)。為此，必須把簡(jiǎn)單歐姆定律擴(kuò)展為MHD流體中的廣義歐姆定律

兩個(gè)重要因素：電場(chǎng)和電導(dǎo)率廣義歐姆定律歐姆定律描述電流、電場(chǎng)和電7廣義歐姆定律考慮等離子體中的靜電場(chǎng)和感應(yīng)電場(chǎng)，廣義歐姆定律可寫(xiě)成

zxy廣義歐姆定律考慮等離子體中的靜電場(chǎng)和感應(yīng)電場(chǎng)，廣義歐姆定律可8電離層電導(dǎo)率電離層電導(dǎo)率9電離層電導(dǎo)率和層電導(dǎo)率

zxy皮德森電導(dǎo)率

霍爾電導(dǎo)率平行電導(dǎo)率

電離層電導(dǎo)率和層電導(dǎo)率zxy皮德森電導(dǎo)率霍爾電導(dǎo)率平10決定電離層電導(dǎo)率的5個(gè)因素粒子密度n——測(cè)量粒子電荷q——測(cè)量磁場(chǎng)B——偶極子模型有效碰撞頻率——用測(cè)量值計(jì)算回旋頻率——計(jì)算決定電離層電導(dǎo)率的5個(gè)因素粒子密度n——測(cè)量11電離層電子密度的底部和頂部探測(cè)反射頻率等離子體頻率等離子體密度電離層電子密度的底部和頂部探測(cè)反射頻率等離子體頻率等離子體密12電離層成分的火箭衛(wèi)星和遙感測(cè)定中性成分密度大的多E層主要成分是O2和NO離子F1F2層主要成分是O離子電離層成分的火箭衛(wèi)星和遙感測(cè)定中性成分密度大的多E層主要成分13圖6.23中緯度夏季正午電離層電導(dǎo)率的高度變化層電導(dǎo)率圖6.23中緯度夏季正午電離層電導(dǎo)率的高度變化層電導(dǎo)率14電離層的異常結(jié)構(gòu)之一

赤道電集流和極光帶電集流N電離層的異常結(jié)構(gòu)之一

赤道電集流和極光帶電集流N15赤道電集流柯林電導(dǎo)率B赤道電集流柯林電導(dǎo)率B16極光帶電集流和場(chǎng)向電流BB在電導(dǎo)率增大的通道內(nèi)（極光帶），初始西向電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)北向Hall電流，該電流在高導(dǎo)通道北邊緣積累正電荷，南部邊緣積累負(fù)電荷。這些電荷一部分被場(chǎng)向電流帶走，剩余部分產(chǎn)生南向極化電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)南向極化電流，它和沒(méi)有與場(chǎng)向電流構(gòu)成回路的那一部分電流抵消。由初始電場(chǎng)和二次極化電場(chǎng)產(chǎn)生的西向電流迭加在一起，形成了強(qiáng)大的西向Cowling電流。極光帶電集流和場(chǎng)向電流BB在電導(dǎo)率增大的通道內(nèi)（極光帶），初17電離層的異常結(jié)構(gòu)之二

噴泉效應(yīng)和赤道電離層異常電離層的異常結(jié)構(gòu)之二

噴泉效應(yīng)和赤道電離層異常18電離層發(fā)電機(jī)區(qū)的高度范圍電離層發(fā)電機(jī)區(qū)的高度范圍19由于磁力線一般并不垂直于電離層，所以需要由和計(jì)算出沿電離層面的水平電導(dǎo)率：柯林電導(dǎo)率由于磁力線一般并不垂直于電離層，所以需要由和202.Sq的形態(tài)學(xué)特征和發(fā)電機(jī)理論

單臺(tái)Sq的形態(tài)和付氏分析2.Sq的形態(tài)學(xué)特征和發(fā)電機(jī)理論

單臺(tái)Sq的形態(tài)和付氏分析21Sq的緯度特點(diǎn)Sq的緯度特點(diǎn)223個(gè)臺(tái)站Sq的年變化3個(gè)臺(tái)站Sq的年變化23Sq三要素強(qiáng)度的緯度-LT分布Sq三要素強(qiáng)度的緯度-LT分布24Sq電流體系示意圖Sq電流體系示意圖25Sq電流體系的季節(jié)變化3月6月9月12月Sq電流體系的季節(jié)變化3月6月9月12月26不同作者的結(jié)果ChapmanandBartelsSugiuraandHeppner1965不同作者的結(jié)果ChapmanandBartelsSugi27Matsushita1967Matsushita1969Matsushita1967Matsushita1969284個(gè)低緯臺(tái)站的H太陽(yáng)日變化曲線——洪伽約現(xiàn)象磁緯5度以內(nèi)的3個(gè)臺(tái)站磁緯大于5度的3個(gè)臺(tái)站4個(gè)低緯臺(tái)站的H太陽(yáng)日變化曲線磁緯5度以內(nèi)的3個(gè)臺(tái)站磁緯大于29極區(qū)Sq電流體系與全球電流的關(guān)系極區(qū)Sq電流體系與全球電流的關(guān)系30Sq內(nèi)外源電流體系Sq內(nèi)外源電流體系31內(nèi)外源電流焦點(diǎn)在一天中的變化內(nèi)外源電流焦點(diǎn)在一天中的變化32二維電離層的廣義歐姆定律

Sq的發(fā)電機(jī)理論二維電離層的廣義歐姆定律Sq的發(fā)電機(jī)理論33假定電離層上下表面沒(méi)有電流進(jìn)或流出，則有電流連續(xù)方程滿足連續(xù)方程的電流函數(shù)是其分量形式是

假定電離層上下表面沒(méi)有電流進(jìn)或流出，則有電流連續(xù)方程滿足連續(xù)34已知電導(dǎo)率、運(yùn)動(dòng)速度和磁場(chǎng)，可以在給定邊界條件下求解上面發(fā)電機(jī)方程，得到電流函數(shù)和靜電位

兩種解法：

已知電導(dǎo)率、運(yùn)動(dòng)速度和磁場(chǎng)，可以在給定邊界條件下求解上面發(fā)電35（1）用電流函數(shù)表示的發(fā)電機(jī)方程電離層有效電阻率（1）用電流函數(shù)表示的發(fā)電機(jī)方程電離層有效電阻率36電離層電場(chǎng)與電流課件37（2）用靜電位表示的發(fā)電機(jī)方程

（2）用靜電位表示的發(fā)電機(jī)方程38Sq發(fā)電機(jī)電流

對(duì)Sq貢獻(xiàn)最大的潮汐風(fēng)分量是(1，-1)模，哈夫函數(shù)可以用締合勒讓德函數(shù)表示Sq發(fā)電機(jī)電流對(duì)Sq貢獻(xiàn)最大的潮汐風(fēng)分量是(1，-1)模，39S(1，-1)模S(1，-1)模40發(fā)電機(jī)電流體系(a)、電流矢量(b)、靜電場(chǎng)(c)和總電場(chǎng)(d)發(fā)電機(jī)電流體系(a)、電流矢量(b)、靜電場(chǎng)(c)和總電場(chǎng)(413、L的形態(tài)學(xué)特征和發(fā)電機(jī)機(jī)制3、L的形態(tài)學(xué)特征和發(fā)電機(jī)機(jī)制42用100個(gè)地磁臺(tái)反演的L等效電流體系用100個(gè)地磁臺(tái)反演的L等效電流體系43L的發(fā)電機(jī)機(jī)制對(duì)L貢獻(xiàn)最大的潮汐風(fēng)分量是(2，2)模L的發(fā)電機(jī)機(jī)制對(duì)L貢獻(xiàn)最大的潮汐風(fēng)分量是(2，2)模44電離層電場(chǎng)與電流課件45L(2,2)太陰時(shí)09時(shí)發(fā)散太陰時(shí)15時(shí)匯聚21時(shí)發(fā)散03時(shí)匯聚L(2,2)太陰時(shí)09時(shí)發(fā)散太陰時(shí)15時(shí)匯聚21時(shí)發(fā)散03時(shí)46從地面磁場(chǎng)得到的L等效電流體系(左)與發(fā)電機(jī)電流體系(右)的比較從地面磁場(chǎng)得到的L等效電流體系(左)與發(fā)電機(jī)電流體系(右)的47不同作者的結(jié)果Chapman不同作者的結(jié)果Chapman48MatshushitaandXu1984MatshushitaandXu1984494、高緯度日變化Maeda認(rèn)為：高緯度太陽(yáng)日變化=中緯度Sq向高緯度的延伸+(即DP2)起源：磁層對(duì)流，也就是說(shuō)，其生成機(jī)制伴隨著磁擾。如此說(shuō)來(lái)，高緯度日變化與中低緯度Sq有相似的名稱(chēng)和記號(hào)，卻又完全不同的起源。4、高緯度日變化Maeda認(rèn)為：起源：磁層對(duì)流，也就是說(shuō)，其50極區(qū)電流體系Sqp(DP2)極區(qū)電流體系Sqp(DP2)51亞暴時(shí)的極區(qū)電流DP1+DP2亞暴時(shí)的極區(qū)電流DP1+DP252電離層電場(chǎng)與電流課件53電離層電場(chǎng)與電流課件54場(chǎng)向電流產(chǎn)生的電離層電流體系考慮場(chǎng)向電流時(shí)，電流連續(xù)方程變?yōu)?/p>

場(chǎng)向電流產(chǎn)生的電離層電流體系考慮場(chǎng)向電流時(shí)，電流連續(xù)方程變?yōu)?5電離層電場(chǎng)與電流課件56電離層電場(chǎng)與電流課件57謝謝！謝謝！58

電離層電場(chǎng)與電流1.電離層電流的重要性和特點(diǎn)2.Sq的形態(tài)學(xué)特征和發(fā)電機(jī)理論4.L的形態(tài)學(xué)特征和發(fā)電機(jī)理論5.高緯度地磁變化和電流體系全部材料由徐文耀教授提供，衷心感謝徐教授的支持！

電離層電場(chǎng)與電流1.電離層電流的重要性和特點(diǎn)全部材料由徐文591.電離層電流與電場(chǎng)的重要性和特點(diǎn)

重要性：電離層電流最接近地面（90-150公里高度），是大多數(shù)地面地磁變化的直接原因。主要電流：(1)電離層發(fā)電機(jī)電流產(chǎn)生了Sq和L；(2)場(chǎng)向電流注入電離層，驅(qū)動(dòng)西向和東向極光帶電集流，形成亞暴；(3)赤道電集流產(chǎn)生“洪伽約現(xiàn)象”，它起源于赤道特殊的磁場(chǎng)位形。1.電離層電流與電場(chǎng)的重要性和特點(diǎn)重要性：電離層電流最接近60電離層特點(diǎn)（與磁層比較）（1）密度大，粒子自由程小，碰撞效應(yīng)不可忽略（而磁層是無(wú)碰撞等離子體），碰撞引起動(dòng)量傳輸，于是電導(dǎo)率和焦耳加熱就有意義了。電離層特點(diǎn)（與磁層比較）（1）密度大，粒子自由程小，碰撞效應(yīng)61（2）中性粒子占優(yōu)勢(shì)，所以，帶電粒子與中性粒子的碰撞是主要的。中性風(fēng)對(duì)電離層等離子體的運(yùn)動(dòng)起著控制作用。反之，離子曳力對(duì)中性風(fēng)也有重要作用。（2）中性粒子占優(yōu)勢(shì)，所以，帶電粒子與中性粒子的碰撞是主要的62（3）因地磁場(chǎng)存在而呈現(xiàn)各向異性，其程度和表現(xiàn)隨高度而變，所以，同樣的電場(chǎng)在不同高度引起的電流體系有很大差異。

（3）因地磁場(chǎng)存在而呈現(xiàn)各向異性，其程度和表現(xiàn)隨高度而變，所63（4）耦合復(fù)雜，上面通過(guò)場(chǎng)向電流與磁層耦合，下面通過(guò)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程與中層大氣耦合，中間與熱層耦合。考慮到這些特點(diǎn)，研究電離層問(wèn)題需要使用廣義歐姆定律和電導(dǎo)率張量。（4）耦合復(fù)雜，上面通過(guò)場(chǎng)向電流與磁層耦合，下面通過(guò)動(dòng)力學(xué)和64廣義歐姆定律歐姆定律描述電流、電場(chǎng)和電導(dǎo)率的關(guān)系。（1）電離層是磁化等離子體，電流不一定沿電場(chǎng)方向流動(dòng)，因而標(biāo)量電導(dǎo)率需代之以張量電導(dǎo)率。（2）電離層介質(zhì)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此，除了因電荷積累而產(chǎn)生的靜電場(chǎng)外，導(dǎo)電介質(zhì)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)。為此，必須把簡(jiǎn)單歐姆定律擴(kuò)展為MHD流體中的廣義歐姆定律

兩個(gè)重要因素：電場(chǎng)和電導(dǎo)率廣義歐姆定律歐姆定律描述電流、電場(chǎng)和電65廣義歐姆定律考慮等離子體中的靜電場(chǎng)和感應(yīng)電場(chǎng)，廣義歐姆定律可寫(xiě)成

zxy廣義歐姆定律考慮等離子體中的靜電場(chǎng)和感應(yīng)電場(chǎng)，廣義歐姆定律可66電離層電導(dǎo)率電離層電導(dǎo)率67電離層電導(dǎo)率和層電導(dǎo)率

zxy皮德森電導(dǎo)率

霍爾電導(dǎo)率平行電導(dǎo)率

電離層電導(dǎo)率和層電導(dǎo)率zxy皮德森電導(dǎo)率霍爾電導(dǎo)率平68決定電離層電導(dǎo)率的5個(gè)因素粒子密度n——測(cè)量粒子電荷q——測(cè)量磁場(chǎng)B——偶極子模型有效碰撞頻率——用測(cè)量值計(jì)算回旋頻率——計(jì)算決定電離層電導(dǎo)率的5個(gè)因素粒子密度n——測(cè)量69電離層電子密度的底部和頂部探測(cè)反射頻率等離子體頻率等離子體密度電離層電子密度的底部和頂部探測(cè)反射頻率等離子體頻率等離子體密70電離層成分的火箭衛(wèi)星和遙感測(cè)定中性成分密度大的多E層主要成分是O2和NO離子F1F2層主要成分是O離子電離層成分的火箭衛(wèi)星和遙感測(cè)定中性成分密度大的多E層主要成分71圖6.23中緯度夏季正午電離層電導(dǎo)率的高度變化層電導(dǎo)率圖6.23中緯度夏季正午電離層電導(dǎo)率的高度變化層電導(dǎo)率72電離層的異常結(jié)構(gòu)之一

赤道電集流和極光帶電集流N電離層的異常結(jié)構(gòu)之一

赤道電集流和極光帶電集流N73赤道電集流柯林電導(dǎo)率B赤道電集流柯林電導(dǎo)率B74極光帶電集流和場(chǎng)向電流BB在電導(dǎo)率增大的通道內(nèi)（極光帶），初始西向電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)北向Hall電流，該電流在高導(dǎo)通道北邊緣積累正電荷，南部邊緣積累負(fù)電荷。這些電荷一部分被場(chǎng)向電流帶走，剩余部分產(chǎn)生南向極化電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)南向極化電流，它和沒(méi)有與場(chǎng)向電流構(gòu)成回路的那一部分電流抵消。由初始電場(chǎng)和二次極化電場(chǎng)產(chǎn)生的西向電流迭加在一起，形成了強(qiáng)大的西向Cowling電流。極光帶電集流和場(chǎng)向電流BB在電導(dǎo)率增大的通道內(nèi)（極光帶），初75電離層的異常結(jié)構(gòu)之二

噴泉效應(yīng)和赤道電離層異常電離層的異常結(jié)構(gòu)之二

噴泉效應(yīng)和赤道電離層異常76電離層發(fā)電機(jī)區(qū)的高度范圍電離層發(fā)電機(jī)區(qū)的高度范圍77由于磁力線一般并不垂直于電離層，所以需要由和計(jì)算出沿電離層面的水平電導(dǎo)率：柯林電導(dǎo)率由于磁力線一般并不垂直于電離層，所以需要由和782.Sq的形態(tài)學(xué)特征和發(fā)電機(jī)理論

單臺(tái)Sq的形態(tài)和付氏分析2.Sq的形態(tài)學(xué)特征和發(fā)電機(jī)理論

單臺(tái)Sq的形態(tài)和付氏分析79Sq的緯度特點(diǎn)Sq的緯度特點(diǎn)803個(gè)臺(tái)站Sq的年變化3個(gè)臺(tái)站Sq的年變化81Sq三要素強(qiáng)度的緯度-LT分布Sq三要素強(qiáng)度的緯度-LT分布82Sq電流體系示意圖Sq電流體系示意圖83Sq電流體系的季節(jié)變化3月6月9月12月Sq電流體系的季節(jié)變化3月6月9月12月84不同作者的結(jié)果ChapmanandBartelsSugiuraandHeppner1965不同作者的結(jié)果ChapmanandBartelsSugi85Matsushita1967Matsushita1969Matsushita1967Matsushita1969864個(gè)低緯臺(tái)站的H太陽(yáng)日變化曲線——洪伽約現(xiàn)象磁緯5度以內(nèi)的3個(gè)臺(tái)站磁緯大于5度的3個(gè)臺(tái)站4個(gè)低緯臺(tái)站的H太陽(yáng)日變化曲線磁緯5度以內(nèi)的3個(gè)臺(tái)站磁緯大于87極區(qū)Sq電流體系與全球電流的關(guān)系極區(qū)Sq電流體系與全球電流的關(guān)系88Sq內(nèi)外源電流體系Sq內(nèi)外源電流體系89內(nèi)外源電流焦點(diǎn)在一天中的變化內(nèi)外源電流焦點(diǎn)在一天中的變化90二維電離層的廣義歐姆定律

Sq的發(fā)電機(jī)理論二維電離層的廣義歐姆定律Sq的發(fā)電機(jī)理論91假定電離層上下表面沒(méi)有電流進(jìn)或流出，則有電流連續(xù)方程滿足連續(xù)方程的電流函數(shù)是其分量形式是

假定電離層上下表面沒(méi)有電流進(jìn)或流出，則有電流連續(xù)方程滿足連續(xù)92已知電導(dǎo)率、運(yùn)動(dòng)速度和磁場(chǎng)，可以在給定邊界條件下求解上面發(fā)電機(jī)方程，得到電流函數(shù)和靜電位

兩種解法：

已知電導(dǎo)率、運(yùn)動(dòng)速度和磁場(chǎng)，可以在給定邊界條件下求解上面發(fā)電93（1）用電流函數(shù)表示的發(fā)電機(jī)方程電離層有效電阻率（1）用電流函數(shù)表示的發(fā)電機(jī)方程電離層有效電阻率94電離層電場(chǎng)與電流課件95（2）用靜電位表示的發(fā)電機(jī)方程

（2）用靜電位表示的發(fā)電機(jī)方程96Sq發(fā)電機(jī)電流

對(duì)Sq貢獻(xiàn)最大的潮汐風(fēng)分量是(1，-1)模，哈夫函數(shù)可以用締合勒讓德函數(shù)表示Sq發(fā)電機(jī)電流對(duì)Sq貢獻(xiàn)最大的潮汐風(fēng)分量是(1，-1)模，97S(1，-1)模S(1，-1)模98發(fā)電機(jī)電流體系(a)、電流矢量(b)、靜電場(chǎng)(c)和總電場(chǎng)(d)發(fā)電機(jī)電流體系(a)、電