地球电磁现象物理学6-2_121203

地球电磁现象物理学PHYSICSOFELECTROMAGNETICPHENOMENAOFTHEEARTHGEOMAGNETISMANDSPACEWEATHER(2012.12.03)第六章变化磁场起源和空间电流体系CHAPTER6Originofvariablemagneticfieldandspacecurrentsystem第一节磁场中带电粒子的运动第二节磁流体中的电流第三节电离层与磁层电流体系第四节磁层顶电流第五节赤道环电流第六节磁尾电流第七节场向电流第八节电离层电流§6.4磁层顶电流（C-F电流）早期瞬态模型：1.地磁场处于真空并无限扩展2.太阳耀斑喷发高速介质瞬态压缩地磁场并在边界面上形成面电流太阳大气压缩地磁场边界面电流viewfromtheSun目前普遍接受的模型：（1）太阳风持续存在，充满整个行星际空间；（2）磁层顶是太阳风和地磁场的分界面，C-F电流是持续存在的电流。太阳风总压与磁层总压力在磁层顶达到平衡。由于磁层顶内偶极场远大于行星际磁场，而磁层顶外太阳风的速度远大于磁层顶内的等离子体速度，因此，忽略太阳风的磁压和磁层的动压，则太阳风的动压与磁层的磁压在磁层顶达到平衡：即swmpmpp∇=×JB2swmpmpmppB∇=×JB磁层顶电流从晨侧指向昏侧|0mpswmpmpdpdtρ==−∇+×⇒uJBC-F电流产生的物理机制(单粒子理论）•太阳风携带的等离子体磁场B太阳风B地磁场•太阳风等离子体在磁层顶形成的C-F电流所产生的磁场使磁层顶外磁场强度减少，而磁层顶内的磁场增强•C-F电流具有抗磁特征q=×FvB磁力线为直线(垂直向外)的情况下磁场、电流和压力的关系太阳风激波可将磁层顶压缩到5~6Re,C-F电流可导致地磁场突然增大，这是磁暴急始的原因。北半球C-F电流分布示意图§6.5赤道环电流东向电流(E)西向电流(W)环电流磁场磁层环电流及产生的磁场•南北以磁赤道对称展布在一定的纬度•径向分布在2-10Re环电流磁场的估计令磁暴主相的幅度与环电流粒子的总能量成正比。当磁暴幅度为100nT时，环电流粒子能量可达焦耳，这个能量略大于3个地球半径之外主磁场的总能量，所以磁暴期间磁层的扰动是非常剧烈的。100nTB≈查普曼提出的的环电流形成机制•太阳风粒子压缩地磁场形成指向昏侧的电场•电子回旋半径~3Re，只能在磁场\电场作用下漂移，不可到达对面，•质子回旋半径~11Re，可到达对面，而电子不行剃度、曲率漂移对环电流的贡献222//4223223()()221[(cos)(sin)]2(1cos)2BcBcvmBvqBmvvBqBmvBqBαααα⊥∇−∇−=+×∇=+×∇=+×∇vBvBB设粒子的速度矢量与磁场的夹角为假定地磁场为偶极场(偶极矩为M)，仅考虑赤道面内的情况，那么磁场只有θ分量。在球坐标下该θ分量为：于是233ˆˆˆˆˆ()()BBBBBBrrrθθθθθθλ∂×∇=×=×=−∂Brr只考虑(即粒子速度垂直磁场)的情形东向0ˆλ正电荷西向漂移，形成西向环电流西向环电流密度为(只考虑离子）式中是只与环电流带质子回旋运动有关的动能密度。22233ˆ(1cos)22BcmvmvBqBqrBαλ∇−=+×∇=−vB假定环电流是一个半径为r，横截面为S，以地心为中心均匀对称的圆环，而且环内磁场为常数，那么由西向环电流密度所决定的总电流为于是可得在地心处产生的磁场为：方向与地球赤道磁场的方向相反粒子回旋的抗磁效应对磁场的贡献——可以用一个偶极子环（半径r）的磁场来近似一个粒子的回旋磁矩在原点产生的磁场003ˆ4drBµεδπ=Bz偶极矩为M，在赤道处的磁场强度为：034Mrµπ偶极子环在原点的磁场00332ˆˆ(2)44ddrnSErnSrBrBµπεµπδππ===BBzz为回旋粒子的总动能密度2ErnSπε=其中：将两部分磁场相加，得截面积为S，半径为r电流环在地心产生的磁场此处E表示整个环电流粒子的总能量，M为地球磁矩。0322ˆˆ4TDdEErBMµπ∆=+=−=−BBBzz漂移贡献回旋贡献•来源磁尾等离子片和电离层的带电粒子•地磁场捕获后，粒子发生回旋、反弹运动和周向漂移•周向漂移形成环电流被地球偶极磁场所捕获的电子与质子的运动§6.6磁尾电流磁尾电流是磁层中空间尺度最大的电流体系。由于太阳风质量、动量和能量向磁层传输主要发生在磁尾，所以研究磁尾电流对于认识这种传输过程十分重要。磁尾电流也是极光带电集流的主要来源，在亚暴期间磁尾电流沿磁力线流入电离层，在极区电离层形成复杂的电流体系，并产生剧烈的地磁扰动。磁尾电流由中性片电流和磁尾磁层顶电流两部分组成。前者在磁尾中性片由早晨一侧流向黄昏一侧，到达磁层边界后，电流沿磁尾磁层顶返回早晨一侧，从而形成了两个分别包围南、北磁尾瓣的半圆柱形电流管。从磁尾向太阳方向看磁尾电流黄昏早晨磁尾电流形成的两种物理机制1.无边界、无电场的一维模型(哈里斯，1962)y磁场梯度区均匀磁场区零磁场区2qBBFvF×=F~-▽B越过中性片正离子既可向左也可向右漂移，取决于其通过中性片的投射角。一般情况下，这种特殊的位型向左漂移的正离子多。▽B▽n2.有边界、有电场的模型(阿尔文，1968)2BBEu×=B=0,粒子在电场作用下加速运动，形成昏向电流。晨昏电场阿尔文磁尾模型§6.7场向电流场向电流又叫伯克兰电流，它沿磁力线流动，是磁层空间的一种重要电流体系。场向电流把电离层与磁层联系起来，使磁层与电离层构成一个统一的、互相耦合的动力学体系。在这个系统中，电离层就象一个巨大的电视屏幕，把磁层中的过程和现象反映和表现出来，并被地面仪器观测到，从而使远磁层的地面监测成为可能。场向电流的分布I2||II||()~23/~0MaxJAmJµ−地磁场扰动时:地磁场平静时:I2||I||II||II||||()5/~1/31/4MaxJAmJJJJµ−夜间白天I区场向电流沿磁力线与磁尾等离子体片电流相连II区场向电流与部分环电流相连§6.8电离层电流电离层电流集中分布在90-150公里高度范围内，是最接近地面的电流体系，是绝大多数地面地磁变化的直接原因：Sq和L等地磁场平静变化是由电离层等离子体在地磁场中运动的发电机过程产生的，亚暴时的剧烈磁场扰动是场向电流注入电离层后，驱动西向和东向极光电集流而产生的，赤道带的“洪伽约现象”起源于该处特殊的磁场位形和东西向电离层电场产生的赤道电集流。电离层与磁层等离子体的差别:1.密度大，碰撞不可忽略．碰撞引起动量传输，于是电导率和焦耳加热就有意义了。2.中性粒子构成电离层的优势成分．中性成分的运动对电离层等离子体的运动起着重要作用。3.电离层等离子体因地磁场的存在而呈现各向异性．这种各向异性的程度和表现随高度而变化，所以，同样的电场在不同高度引起的电流体系有很大差异。考虑到这些特点，在研究电离层电动力学问题时，需要使用广义欧姆定律和电导率张量。一、广义欧姆定律σ=⋅JE一般欧姆定律广义欧姆定律()()siσσσ=⋅=⋅+=⋅−∇Φ+×JEEEuB标量电导率需代之以张量电导率导电介质切割磁力线运动产生的感应电场静电场电流沿电场电流不一定沿电场二、电离层电导率考虑由电子和一种离子组成的等离子体，取直角坐标系xyz，磁场沿z方向，电场在xz平面内，xzy电离层电导率张量皮德森电导率，它使电流在垂直于磁场的电场方向流动，因此要消耗能量，产生焦耳热．霍尔电导率，它使电流既垂直于磁场又垂直于电场的方向流动，因此不消耗能量，也不产生焦耳热．平行电导率,也称为普通电导率，它使电流在平行于磁场的电场方向流动。垂直磁场的电场分量既垂直磁场又垂直电场分量平行电场分量电离层电导率特点⊥EE//Hpσσσ,////E在高纬，磁力线近似垂直电离层，因此电场基本是水平的(垂直于磁力线)；在中低纬，水平电场是控制电流的主要因素(忽略进出电离层电流)在得到电离层中性和电离成分的密度、温度等参数后，可以通过以上的公式得到电离层的电导率。一般小于E⊥中纬度夏季正午电离层电导率随高度变化电离层面的水平电导率张量由于磁力线一般并不垂直于电离层，所以需要计算沿电离层面的水平电导率张量。采用球坐标系，那么水平电导率张量可表示为：σσσσσθθθλλθλλ=σσσσσσσσσσσθθθλλθλλ==−==[phone]/sin/(sincos)/qIqIIqqII=+σσ0212sincos1213/σσσσ+=柯林电导率柯林电导率柯林电导率是赤道电急流所对应的电导率。这是因为在赤道附近的电离层中，地磁场基本沿水平方向，并且电导率高度变化呈现一峰值，在峰值上面和下面电导率很快下降，霍尔效应使得上下边界积累异号电荷，产生铅直方向极化电场。该电场所产生的霍尔电流大大地加强了水平电流，从而产生了赤道电急流。电离层中的发电机效应在电离层中，横越地球磁力线的电离层运动产生感应电流，这和发电机中转子切割磁力线产生电流的原理十分相似,故称为发电机效应。电流的大小主要由电离层电导率和运动速度决定。不同形式的电离层运动，会产生具有不同时空分布特征的电流体系,因而带来地磁场的各种变化，如太阳日变化和太阴日变化等。三、电离层发电机理论二维电离层的广义欧姆定律可以表示成电离层的层电导率静电场感应电场这相当于将电离层近似为一个薄的球壳层，而层电导率∑和电流I是在这个球壳上相应电导率和电流的积分。IBurBurIBurBurrrrrθθθλθλθλθλλλλθ∂∂θ∂θ∂λ∂∂θ∂θ∂λ=−−+=−−−+ΣΦΣΦΣΦΣΦsinsin假定电离层上下表面没有电流流进或流出，则有电流连续方程满足上式的电流函数是IrJIrJθλθ∂∂λ∂∂θ==−11sin)sin()(1)sin()(sin1θ∂λ∂∂θ∂∂θ∂θ∂λ∂∂θ∂∂λ∂θθλλλθλθθλλθθruBruBJrruBruBJrrrrrΦ+Σ−Φ−Σ−=−Φ+Σ−Φ−Σ=如果电离层的电导率、磁场和运动速度已知，则可以在给定的边界条件下求解方程,得到电流函数和静电位。解发电机方程的两种途径：1.用电流函数J表示的发电机方程AJBJCJDJF(,)(,)(,)(,)(,)θλ∂∂θθλ∂∂λθλ∂∂θθλ∂∂λθλ2222+++=ARBRCRRDRRFrBurBurr(,)sin(,)sin(,)(sin)(,)(sin)(,)()(sin)θλθθλθθλ∂∂θθ∂∂λθλ∂∂λθ∂∂θθλ∂∂λ∂∂θθθθλλθθθλλλθλλθ===+=−=+Rijijij=+=ΣΣΣΣΣθθλλθλθλθλ(,,)电离层有效电阻率对以上两式进行一点的变换，可以分别整理成关于电流或位势的微分方程。2.用静电位Ф表示的发电机方程ABCDF(,)(,)(,)(,)(,)θλ∂∂θθλ∂∂λθλ∂∂θθλ∂∂λθλ2222ΦΦΦΦ+++=ABCDFrBuuBuurr(,)sin(,)sin(,)(sin)(,)(sin)(,){[sin()][()]}θλθθλθθλ∂∂θθ∂∂λθλ∂∂θ∂∂λθθλ∂∂θθ∂∂λθθλλθθθλθλλλθθλθλθθλλλλθ===−=+=−−+ΣΣΣΣΣΣΣΣΣΣ边条件（赤道对称）电流J的边条件:0,90,0Jθ==静电势的边条件:0,90,0θ=Φ=四.Sq发电机电流对Sq贡献最大的潮汐风是(1，-1)模uAfddfuAffddθλµθθθλλµθθθθλλ=−++=−++−−22110221101(cot)()sin()(cossin)()cos(),.ΘΘµθ=cosf=05.Θij,()θ哈夫函数系式中Θ1111315171007725005790000748000388,().().().().()−=+++θθθθθPPPP太阳潮汐风(1，-1)模Sq发电机电流体系(a)、电流矢量(b)、静电场(c)和总电场(d)由地磁观测得到的Sq等效电流体系五.L发电机电流地磁场L变化是由月球重力潮汐风的发电机产生的。对L贡献最大的潮汐风分量是(