地球电磁现象物理学8-2_121217

地球电磁现象物理学PHYSICSOFELECTROMAGNETICPHENOMENAOFTHEEARTHGEOMAGNETISMANDSPACEWEATHER(2012.12.17)第八章日地空间环境和空间天气第一节日地空间环境的一般概念第二节太阳活动第三节行星际空间的结构和变化第四节磁层与太阳风的相互作用第五节电离层与磁层的耦合第六节地磁活动与太阳的关系第七节地球电磁环境对人类活动的影响2.磁层中的大尺度过程当太阳风流过磁层顶时，一部分能量、动量和质量会传输到磁层里来，引起磁层内部等离子体的大尺度对流运动，与运动相伴随的是大尺度磁层电场和电流。磁层小尺度结构和过程也是在这种大尺度背景中发生的。2.1磁层大尺度对流运动两种可能机制——“似粘性”和“磁场重联”似粘性:实质上是发电机过程,太阳风流动的机械能传入磁层，转化成电磁能Aschematicviewofthemagnetosphericconvectionpatterninducedintheequatorialplanebytheviscousinteractionofthesolarwindwiththeclosedfieldlinesofthemagnetosphere(Axford,1964)阿尔文层似粘性作用引起的磁层对流(a)不考虑地球自转(b)考虑地球自转阿尔文层:分开地球共转区和磁层对流区的界面机制2磁场重联:实质上是电动机过程,太阳风电磁能输入磁层，转化成磁层对流的机械能.正午-子夜剖面内太阳风与磁层的相互作用(a)IMF北向(b)IMF南向(c)重联磁力线运动2.2磁层大尺度对流电场plasmaVE=0××××××BE=-V×BE=-V×B磁层太阳风E=-V×B电场的相对性磁层磁力线的等电位（1）带电粒子沿磁力线运动时洛仑兹力等于零（2）磁层粒子碰撞频率低磁层磁力线可以近似看成等电位线，磁层一处的电场可以沿磁力线映射到很远的地方。Formofthethree-dimensionalcurrentsystemproducedmagnetosphericconvection.Thecurrentsshownincludepolarcusp,Region1,Region2andpartialringcurrent.磁层晨昏电场磁层电场(a)IMF为东向（相应的行星际电场为北向）(b)IMF为南向（相应的行星际电场为东向）(c)IMF为西向（相应的行星际电场为南向）对流电场对流电场：伴随大尺度对流的晨昏电场假设磁层赤道面内晨昏电场为均匀电场，那么其电位可表示为0sinconvecErΦϕ=−在简单的对流电场模型中，赤道面带电粒子的漂移其中r为地心距，φ为周向角。在对流电场和北向地磁场作用下，带电粒子将向地球漂移。2.3共旋电场磁层中还有共旋电场。在地转坐标系：等离子体随地球一起转动，E=0；在磁层坐标系：磁层相对于地球向西转：于是有：ˆErωλ=v方向向北ˆcorotErωλ=−×=−×EvBB地磁场近似用共轴偶极子磁场表示BBar=03()B0地面赤道磁场强度赤道面内共旋电场等位线是一系列以地心为圆心的同心圆，电场方向指向地心，离地越远，电场越小330022ˆˆˆ()EEcorotcorotBaBadrrrBrdrωωΦλ=−×=−=−BE30EcorotBarωΦ=−代入上式得共轴偶极场磁层粒子总漂移=电场漂移+磁场梯度漂移=对流电场漂移+共旋电场漂移+磁场梯度漂移2EB×=EBv电场漂移速度：磁场梯度漂移速度：224221()22BBmvqBBqBBµ∇⊥=×∇×=×∇≡BvBEB2/,/2BqmvBµµ⊥=−∇=EΦ=−∇E30)ra(BqμBqμ==Φ与磁场梯度漂移等效的电位30EcorotBarωΦ=−2)(BDBv×−∇=Φ330003sinEBaBaErrqrωµΦϕ=−−+有效总电位对流电场位共旋电场位0sinconvecErΦϕ=−梯度漂移等效电位330/BBaqrΦµ∇=总漂移速度磁层赤道面内冷粒子(β1，μ=0)的漂移轨迹(2)地球附近，共旋电场占优，粒子东向漂移(1)远离地球处，对流电场占优，粒子向地漂移。(3)早晨一侧，两电场同向(向地球)，粒子向东(向日)漂移较快。(4)黄昏一边，两电场反向，分别使粒子向相反方向漂移(5)中间区域，两种电场大小可比，粒子漂移复杂(6)对流-共旋平衡点，粒子漂移速度为零。•冷等离子体情况下，粒子不能越过分界面，从磁尾来的冷粒子不能进入内区，称内区为“禁区”，即等离子体层，而内外区分界面叫等离子体层顶。冷等离子体情况下，粒子不能越过的分界面称为等离子体层顶。从磁尾来的冷粒子不能通过该分界面进入的内区（冷等离子体的“禁区”）称为等离子体层。由有效电位等于零的条件可得到等离子体层顶的地心距为：2.4等离子体层3200EBarEω=等离子体层特点：•层内等离子体密度大，温度低，由来源于电离层的冷等离子体组成。等离子体层顶外，密度陡降2-3个量级。•对流电场越大，等离子体层越小。•磁层处于平静时，磁层对流电场弱，等离子体层扩展到6-7个地球半径。•磁层活动剧烈时，对流电场加强，等离子体层收缩。•如果磁层对流突然增强，迫使等离子体层顶迅速内移，等离子体层靠近层顶的粒子会被层顶外的对流剥离带走。夜间等离子体层顶位置(密度陡降处)随磁层活动性变化的观测结果在磁层晨昏电场作用下，赤道面热粒子的漂移轨迹(a)正粒子(b)负粒子对于能量高的热粒子，梯度漂移等效电位远大于共旋电位，因而可忽略共旋电位的贡献。在地球附近，梯度漂移使正粒子西漂，负粒子东漂。正负粒子形成的内外区分界面不同，在晨侧，负粒子界面更靠近地球，在昏侧，正粒子更靠近地球，从而产生与对流电场方向相反的昏晨电场，造成对流电场不能进入内磁层，所以这个电场也称为“屏蔽电场”。阿尔文层:分开地球共转区和磁层对流区的界面。3.太阳风能量向磁层的传输太阳风的能量、动量和物质可能通过似粘性和磁场重联等过程向磁层输运，其中重联和相应的开磁层模型得到大量观测事实的支持。磁场重联原理示意图磁层顶重联图象能量耦合函数太阳风输入磁层的能量最终要在磁层-电离层系统中耗散掉:一部分变为环电流粒子的能量，一部分变为沉降粒子的能量，还有一部分变为电离层焦耳热能。为了定量描述磁层能量输入-输出的关系，人们通过统计的或者理论的方法，建立了输入磁层的能量与太阳风参数之间的函数关系，其中最常用的是Akasofu能量函数。εθ=VBl20242sin(/)行星际磁场的极角1tan(/)yzBBθ−=**-18*2420011*()10=sin(/2),7tan(/),00180tan(/),12.5()(10.0012)dynEyzzzyzdDstDstdtDstDstbPcVBllRBBBBBBtDstεττεθθτ−−=−+−===−=−：延迟时间其中：4.磁层亚暴太阳风能量输入磁层后，一部分立即释放，转变为磁层对流和伴随的电磁场能量，另一部分以磁能的形式在磁尾积累起来。由于等离子体片的某种不稳定性，储存的能量突然释放，一部分能量激发出各种等离子体波，另一部分使磁尾等离子体加速，向地球高速推进，在地球周围形成环电流，一部分粒子沿磁力线沉降到极区高层大气，产生极光，形成电集流，引起地磁场剧烈扰动——亚暴。亚暴发生的机制至今众说纷纭，但有两点是共同的，一点是亚暴的能量来源于太阳风，这是亚暴发生的根本原因，另一点是亚暴膨胀相的发生决定于磁层的不稳定性，这是亚暴的直接原因。磁层亚暴的能量过程主要的亚暴模型•驱动模型drivenmodel（Akasofu1979)为了解释AE指数与‘epsilon’函数的相关性•热灾变模型thermalcatastrophemodel（Smith1986与PSBL模型一样，强调等离子体片边界层的作用。边界层对波的吸收使温度升高，使边界层通过一个热灾变点，到达更高温度状态。•近地中性线模型NENL（McPherron1979）•近地电流中断模型NECD§8.5电离层与磁层的耦合电离层、中性大气、磁层的不同特点：中性大气：密度大，带电粒子极少，能量和动量交换主要方式是粒子碰撞，由流体力学方程控制。磁层主要成分是带电粒子，其动力学性质受控于地磁场。电离层：其下是中性大气，其上是磁层，电离层性质介于二者之间。与中性大气相比，电离层的带电粒子要多得多，因此表现出等离子体性质，控制其动力学状态的方程磁流体方程；与磁层相比，其密度，特别是中性密度要大得多，因此粒子之间的碰撞起着重要作用，中性成分与带电成分之间的耦合不可忽略。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。0500100015002000250030000.11010001000001E71E9λne(m)Altitude(km)MEANFREEPATHOFELECTRONINTHEIONOSPHERE电子自由程随高度的分布（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。05001000150020002500300010010001000010000010000001E71E81E91E101E111E121E131E141E15nn(cm-3)Altitude(km)F中性粒子密度1.电离层的形成和结构电离层的形成决定于大气和电离源两个因素。其中电子密度是描述电离层结构的主要参数。当电离和复合这两个相反的过程达到平衡时，电子密度也就达到某个稳定值。在电离层电场的驱动和大气潮汐运动、重力波所引发的碰撞作用下，带电粒子生成后，还会因运动而重新分布。无论是电离与复合过程，也无论是运动过程，都是动态变化的，因此，电离层总是处于不停的变化之中。电离层的垂直结构包括光子和能量粒子的电离粒子从高层空间向下进入大气层，通过与大气中性粒子碰撞，产生电子。在大气高层，电离粒子虽多，但可供电离的中性粒子稀薄，所以，产生的电子不会很多。而在大气低层，可供电离的中性粒子虽多，但电离粒子所剩不多，而且碰撞率和复合率很高，因此也不会存在很多电子。电离层电子密度随高度的变化电离层中电子密度的水平分布春秋分时F层最大电子密度随地磁纬度和地方时的分布2.磁层粒子沉降和极光电离层的状态和过程——（1）决定于太阳辐射和大气层性质（2）受磁层过程的影响—极区受磁层直接影响和控制—地磁场耦合了极区与磁层同时观测到的形态类似的南极光和北极光3.场向电流和地磁亚暴磁层粒子沉降不仅激发大气发光，而且增加电离层电离度和电导率，沿极光粒子密集的夜间极光卵形成了一个高电导带。沉降粒子所携带的电流，即场向电流注入电离层后，集中从高电导带流过，形成极光带电集流。引起极区地磁场的剧烈扰动，叫做地磁亚暴。亚暴电流体系主要由两种成分组成，第一种呈双涡电流结构，对应着亚暴的直接驱动过程，第二种呈电集流形式，对应着亚暴卸载过程。用本征模分析方法得到的亚暴电流的两种成分(a)直接驱动过程的双涡电流，(b)卸载过程的电集流。§8.6地磁活动与太阳的关系太阳黑子数与地磁活动性的比较上图:,1890-1990年年均值的比较,下图:1900-1940年月均值的比较1.地磁活动性11年周期变化2.地磁活动性的年变化（1）年变化和半年变化的电离层原因由于电离层主要是由太阳辐射产生的，所以地球的四季变化使电离层的电导率夏季大而冬季小。电离层电导率的大小直接影响着电离层发电机电流的强弱，所以由此产生的地磁场和的强度也具有明显的年变化。由此我们可以预料，如果产生某种地磁变化的电流与电离层有关，而计算相应地磁活动指数的资料只来源于北半球或南半球，则该指数应受年变化调制。如果资料同等地来源与南北两个半球，则指数会有一种半年周期变化。（2）年变化和半年变化的天文原因对于那些与电离层无关的地磁变化，如磁层环电流产生的暴时变化，似乎不应该有这种年变化。然而，事实并非如此，Dst指数和其他地磁指数呈现出清楚的半年变化：两分点极大，两