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文章关键词:太阳集团游戏2138,磁层电场

  地球磁层和电离层磁尾向日侧方向运动导致等离子体的大尺度循环。闭合磁力线和开放磁力线之间的分隔区通过极光可以看得见 它构成了椭圆极光的一部分。共转电场使等离子体因 漂移而环向漂移 漂移运动与电荷无关 电子和质子都随地球共转。由共转电场引起的等离子体运动只在地球附近 等离子体层 中有重要的作用 而对流电

  地球磁层和电离层磁尾向日侧方向运动导致等离子体的大尺度循环。闭合磁力线和开放磁力线之间的分隔区通过极光可以看得见 它构成了椭圆极光的一部分。共转电场使等离子体因 漂移而环向漂移 漂移运动与电荷无关 电子和质子都随地球共转。由共转电场引起的等离子体运动只在地球附近 等离子体层 中有重要的作用 而对流电场引起的等离子体运动则在更远的空间发挥更重要的作用。粒子的一个重要的环向漂移是由磁场曲率和磁场梯度引起的 磁场随径向距离的增大而减小 。在这种情况下 粒子的电荷十分重要 电子向东漂移 质子向西漂移。由此形成的电流就是著名的环电流。太阳风—磁层一电离层的耦合产生了大尺度的电流系统。在夜侧 磁层项表面电流保证了磁层项边界的受力平衡 通过越尾中性片电流闭合。在太阳风与磁层顶相互作用特别强的时候 中性片电流有可能被扰乱 因而通过场向电流进入电离层。场向电流对地球极光非常重要 最强的分离极光是由向上的平行电场区域中沿磁力线平行电势的降落加速电子 使电子沉降在电离层中产生的【 同时于年从不同角度提出了磁层对流的概念。他们提出 在太阳风的驱动作用下外磁层的等离子体会受太阳风拖曳而向磁尾运动 在磁尾的等离子体则会产生日向运动 从而形成对流。关于对流驱动 再次论述时也强调了重联作用。图给出了行星际磁场南向 上图 下图时地球磁层发生重联的模型。当行星际磁场南向时 磁层和磁鞘磁力线在低纬度近赤道面发生重联。当重联产生的 字形磁力线伸直时 磁力线加速等离子体。随后当磁力线延伸到晨昏线之后 磁力线使等离子体慢下来。在整个过程中 日侧能量从磁力线流到等离子体中 但是在磁尾 有一个 能量通量从太阳风等离子体进入磁场。这个能量反过来落在磁尾的重联点上 使等离子体正好流入磁层 一部分向磁尾下游流去。等离子体和磁场不断地向日侧重联点运动 从而自恰地形成循环。在这种方式下 只要太阳风不断提供能量 磁层等离子体即使在耗散系统下也能进行循环。行星际磁场北向时 重联仍然会发生 但是对磁层会有完全不同的作用。图 的下图给出了这种情形。在这种情况下 太阳风中的磁力线拖曳 地球磁层和电离层 北太阳风 譬北太阳胂行星际磁场南向行星际磁场北向’图 行星际磁场南向上图 】。此图没有按比例给出也没有考虑太阳风相互作用的细节。越过地球磁层顶。在极尖区后面 太阳风磁力线压迫地球南北半球上反平行的磁层磁力线发生重联。重联后的磁力线被增加到日侧 相应的流通管从夜侧被移走 向磁尾下游方向传输。这个过程有效地将磁通量从夜侧传输到日侧磁层。重联后的日侧流通管沿磁层顶边界运动 代替了在磁尾下游丢失掉的流通管。这个机制在磁层项内产生了一个等离子体边界层 维持了行星际磁场北向时的等离子体循环。 地球磁尾地球磁尾指的是地球磁层背阳面向后面延伸的区域 是磁层中一个特别重要的区域 磁尾的作用像是等离子体和能量的仓库。磁尾的大部分由两个低密度区域 北尾瓣和南尾瓣组成。尾瓣中的磁力线是开放磁力线 北尾瓣中的磁场指向地球 南尾瓣中的磁场离开地球。与低纬尾瓣接壤的是等离子体片边界层 通常厚 是磁尾最活跃的等离子体区域经常出现来自地球或下游的离子束 常常观察到流向地球或流出地球的场向电流 还探测到大量的波活动。中心等离子体片位于 地球磁层和电离层磁尾中心 在午夜区最薄 厚度为 靠近磁尾两侧要厚一倍【 】。在等离子体片的中间是中性片磁场最弱 且反转方向 从磁尾北半部的指向太阳转为南半部的背离太阳。许多的调查发现等离子体片中的高速离子流被限制在它的外边界 即等离子体片边界层中。 】注意到在等离子体片膨胀期间 高速流通常被限制在等离子体片上下边界 的厚度内。随后有人发现等离子体片边界层是地球磁尾中一个不变的活动区域 其中大的地向场向流几乎总是存在 不管有没有磁活动和亚暴陋 甚至声明高速流很少发生在中心等离子体片中显著的离子流总是被限制在等离子体片边界层中。磁尾对流中 闭合等离子体片流通管的地向对流随着尾向距离的增加会产生等离子体片压力的梯度 与合理的磁尾磁场模型不匹配。删 】首先提出这个问题并随后引起了广泛的讨论。对此问题提出了三个解决途径 如果流通管中的等离子体损失掉一部分 就维持压力平衡 如果等离子体片是很不规则的话即它由不同温度和密度的等离子体小区组成 相互很难对流 某短暂或平均稳态可以维持 稳态从来就不出现相反 磁尾结构在不断演化【五轭 电离层电离层是大气层中有显著带电粒子存在的区域。地球电离层从高度左右开始 延伸到 可以分为三个主要的层 显示了地球电离层的分层结构以及电子密度随高度的分布电子密度在 高度附近有一个最大值 可以达到 的量级。从图 可以看到 电导率和 电导率都在 层达到峰值 一般称之为发电机目力譬。电离层在不同的纬度上受外界影响不同 随纬度表现出明显的变化。在高纬度电离层 等离子体不随地球共转 但是改为在磁层电场的作用下运动。高纬电离层由于这个区域各种独特的物理过程 表现出比中纬电离层更复杂的行为。在这些复杂的行为中 最重要的有与磁层等离子体对流有关的电场、椭圆极光内的强粒子沉降、热等离子体的极风 电导率和电导率随高度的分布【踟钾 至点条件下中纬电离层上沿地球磁力线的等离子体流方向的示意图【届 在中纬度电离层地球磁场倾向于垂直方向 南北方向的中性风促使 层的电离区域向磁力线的较高处或较低赴变化 具体依赖于中性风方向。赤道向中性风驱使向更高处电离 那里化学损失率更低 极向风则反之。所以赤道向中性风在夜晚维持了 层的电离 极向风则在日间向下压 层。另一个影响中纬电离层运输过程的是 等离子体沿地球磁力纽在两半球之间的流动。图 显示了在至点条件下两半球之间等离子体流的 地球磁层和电离层方向 山上得到的数据推论出来的。在夏半球等离子体流向上 全天流出电离层最上层 在冬半球 等离子体流在日间向上 夜晚则向下。在低纬度电离层 地球磁力线几乎水平 这引入了一些独特的运输效应。首先 热层风吹过赤道 从夏半球到冬半球 能有效地产生两半球之间沿磁力线的等离子体流。在赤道夏季侧 电离层等离子体上升、膨胀 最后冷却 在冬季侧 等离子体下降、压缩、加热。在低纬度另一个有趣的传输效应是所谓的赤道喷泉 层区域与中性风感应产生的电离层电流有关的东向电场驱动等离子体向上运动。以这种方式被举起的等离子体接着沿磁力线向下传播 在重力作用下离开赤道。电磁场漂移和传播产生了一种喷泉式的等离子体运动。电离层不仅随纬度 而且随高度、经度、世界时 、太阳周、季节以及地磁活动表现出明显的变化 作用在电离层上的各种因素之间的对抗导致了电离层的变化。其中特别重要的是磁层对电离层的作用 也就是电离层一磁层耦合 主要有以下几种方式 能量粒子尤其是电子的极光沉降 会引起电离和加热 特别是在 电场的强加会引起层等离子体在 漂移下快速水平运动 场向电流和水平电流的产生。中性风也会影响所有纬度的 层电离层等离子体被约束在磁力线上沿磁力线可以轻易地流动。运动的中性大气层作用在等离子体上的摩擦力可以驱动等离子体沿倾斜磁力线向上或向下运动 方向由中性风方向和磁场方向决定。中性风垂直于磁场运动 产生发电机电场 从而造成静地磁条件下太阳逐日变化 电流系和赤道电急流。下面主要回顾一下对中性风的观测及研究现状。太阳集团2138网站 热层中性风由于太阳辐射在地球上的不均匀 电离层中各处的温度不同。温差引起的大气压力的水平梯度 使大气从高温区向低温区运动 形成热层中性风。热层中性风对电离层动力学有重要的作用 对中性风的测量主要有三种方法 即与光学有关的 和卫星拖曳。光学方法 也就是 干涉仪 是最近被广泛使用的 通过观测 层一定高度的气辉或极光发射的多普勒移动来测量中性风【 地球磁层和电离层。不连贯的分散雷达从观测到的离子运动推断估算中性风 原则上可以测量所有高度的中性风。在以下的高度 通过火箭、流星雷达 。在更高的高度上测量主要局限于一些站点的 和不连贯散射雷达 而且通常一个月中只有少数几个晚上或白天可以进行。另外 还有不少的卫星观测数据。肌出 结合热层中性风的卫星观测数据和不连贯散射雷达、的地面观测数据 建立了一个解析的经验水平风场模型 高度以上用一套有限的矢量球谐函数来描述外逸层中空间和时间变化。这个模型给出了北半球最佳的风场描述但是在南半球就不是很好了 因为得到的南半球数据相当少。为了描述在同温层和中间层上遍及大气和潮汐变化的平均风场系统 风场模型的公式拓展到中间层和和地球表面且饿死 】。这个模型不仅基于 国际参考大气层 表格 还基于选取的历史火箭数据、先前以 表格为基础的火箭数据、流星雷达和 雷达数据以及较低热层不连贯散射数据。然而 用来建立这个模型的高层中间层 低热层区域 的数据还是在有限的站点上取得的可以参见肌砒 。最近高层大气研究卫星 上的风成像干涉仪 和高分辨率的多普勒成像 对风场进行了直接观测 为高层中间层 低热层区域提供了主要的新的全球中性风数据。根据这些数据 】利用全球范围内分布的多个台站上用流星雷达和 雷达观测到的中性风数据 建立了一个新的高层中间层 低热层 的全球经验风场模型跨越的纬度从北纬 到南纬 木星木星 木星是太阳系中最大的行星 半径超过 。在所有的行星中 它旋转得最快 周期只有 。木星有最大的磁矩 所以也就有太阳系中最大的磁层 大得可以轻易地环绕太阳和可见的日冕。假如在地球上可以看到木星磁层 那它将比夜空中的月亮还要大。木星还是一个有力的无线电波发射器。木星巨大的磁层担当着能量带电粒子的捕获器和加速器。捕获的大部分能量电子在无线电频率放射 正是这个无线电放射导致 年木星磁场的发现 木星磁层在正午午夜子午面上的磁力线木星内部具有强大的发电机 在赤道区域产生了强度约为 的表面磁场。强磁场和快速旋转创造了太阳系中独特的磁层 独特之处在于巨大的尺寸 平均日下点磁层顶距离在 是木星半径 和快速旋转 如图 所示。木星磁层不同于其它大部分磁层 它驱动来自木星卫星—木卫一 的大部分等离子体。重等离子体主要由各种带电状态下的 组成通过离心力和热压的共同作用使磁层膨胀。 木星 假如没有内部重等离子体 偶极子磁场将在日下点区域 的地方平衡掉太阳风的平均动压 与观测到的平均磁层顶位置在 如不同。此外 重等离子体还会在木星磁层的赤道区域产生一个环向电流。通常将木星磁层分为三个区域 。内磁层是磁层等离子体产生的所在地也是内辐射带的主体。木卫一等离子体环位于径向距离 之间包含有几百万吨等离子体 这些等离子体在离心力引起的不稳定作用下缓慢地向外扩散。由于强大的内磁场和等离子体环的低温 在这个区域的大部分地方 等离子体 粒子能量密度与磁场能量密度之比 等离子体对磁场的作用最小。然而 磁场对等离子体的分布和能量的影响却是很强的。任意一个带电粒子垂直磁力线运动时都会受到一个很强的洛伦兹力 粒子的空间分布趋向于由磁力线方向组织起来沿磁力线比垂直磁力线有更多的同类粒子。所以内磁场的描述非常有利于理解等离子体源的分布和电离层一磁层的耦合。不幸地是由于飞往木星的飞船对径向和方位角范围的覆盖有限 木星磁场只有最低的谐函数 小于四阶 才被精确地确定。在内磁层中 等离子体环中的冷暖等离子体被离心赤道所限制。离心赤道是由每一条磁力线所能到达的离木星旋转轴最远距离的点的轨迹形成的平面。在中磁层中 由于木星电离层的导电性差 不能给流出的等离子体提供足够的角动量 等离子体随木星磁层的共转逐渐地停顿下来。径向电流强迫磁层等离子体共转 使电子在巨大的场向电势作用下加速进入木星电离层 在电离层中产生极光。在位于木星赤道面附近的薄电流片中 环向电流非常大 造成磁场扰动 幅度可以同 以外的内禀磁场相比较。等离子体也超过了 。在这个区域 磁力线抵抗强大的离心力和热压力来限制住等离子体 所以磁力线变得非常伸展。太阳风动压、粒子热压和离心力对确定电流片位置都具有同等重要的作用 这使电流片呈现出复杂的结构。另外 电流片系统地迟滞于磁偶极子赤道 因为在非共转等离子体中 偶极子上的信息必须连续不断地从内磁层向外传播。等离子体温度相当高 现在还没有完全知道在这个区域中是什么过程使暖等离子体有这么高的温度。 的新观测显示木星磁层中 磁场和电流并不是轴对称的 但是局地时间不对称类似于地球上观测到的。这个发现说明了太阳风很可能以类似驱动地球磁层的方式驱动了木星磁层中的一个对流系统。在外磁层中 环向等离子体速度滞后共转速度两倍或者更多。 木星 日侧外磁层极其容易被压扁。由太阳风动压决定 存在另一个电流系统连接磁盘电流和磁层项电流。这个电流系统称为磁尾电流系进一步伸展了磁力线 产生一个很长的磁尾 长度 已经观测到这个磁尾延伸到土星轨道上。电流片上下的磁层区域中没有等离子体和电流称为尾瓣 类似于地球磁尾中的相似区域。 木卫一等离子体环 木卫一是伽利略在 年发现的木星的四颗大卫星中最里面的一颗 平均半径 和整体密度 同月球的相当。然而 飞船相遇木卫一以前地面观测表明木卫一远远不同于月球 木卫一具有不寻常的光谱反射系数、不规则的热性质 以及被无边的离子和中性原子云围绕。图 术卫一等离子体环和总体几何结构的示意图 删术卫一大气层和术星磁层相互作用导致术卫一大量物质的损失。一部分损失的物质直接被术卫一外逸层拾起但是相当数量的部分则以中性原子和分子 主要是氧和硫原子以及它们的化台物 述逸出来。这些中性粒子在术卫一绕木星的轨道 上陪伴着术卫一直到它们经过电子碰撞和电荷交换后被离子化。这些粒子一旦被离子化后 将被加速到几乎共转的周围等离子体流速度 周围等离子体以 的相对速度流过术卫一 形成完全围绕木星的离子环一术卫一等离子体环 如图 木星尽管由于对某些可能重要的损失过程有观测约束而存在很大的不确定性 目前普遍认为木卫一损失的总质量大约是 。离开木卫一的大部分物质 大概约为 在短时间内通过电荷交换过程喷射出木星系统 剩余的物质呆在等离子体环中的平均时间可能为 天之间。密度或温度都不均匀的等离子体沿径向分布。等离子体环中的区域可以根据它们的离子温度进行分类。离子温度噩在木卫一轨道附近最大 朝木星向里温度下降。在 三是偶极场中磁力线在赤道面上地距离 的地方 等离子体相当冷 被离心赤道强有力地限制着 这个区域就是冷等离子体环。在五 环中的离子大约为但是这个温度随空间还有可能随时间变化。大体上 向外到暖的外环由于膨胀和持续的辐射能量的损失 正应该随距离下降。环中等离子体的空间分布很复杂 分布、等离子体传输、汇分布和能量传输这些性质的影响。密度随距离的变化主要决定于 离子的分布这些离子并不是完全局限于木卫一 受木卫一相对磁场运动的影响 离子温度 传输过程 因为通量管体积随离木星的距离增加能量传输过程 过程。应该注意这些过程在一定程度上是相互依赖的。当等离子体环处于准静态的情况下木卫一处的物质净输入必须要由质量损失来平衡。等离子体环对于离心力驱动的交换运动是不稳定的。交换不稳定 是磁层中类似 的不稳定性这种不稳定性驱动行星大气层或壶中开水对流。由共转的离心力支配的力径向向外 质量源深埋在内磁层中。内磁层中 如果没有向外传输 则大概将被相对地真空包围。离心力驱动的交换不稳定性的本质是来自源区的满载的磁流通管在 作用下从源区向外运动 被含有少量物质的向里运动的流通管代替 从而在没有明显改变磁场位形的情况下 减少了全部物质分布的离心势能。交换率由木星电导率和可能一些其它因素控制。除了木星电离层电导率外 还有两个可能的机制阻止木卫一产生的等离子体向外传输。其中一个是“环电流扣留” 。径向传输使木卫一处产生的重离子流入木星磁层的其它空间木星磁层中呈现的大部分现象都依靠这些离子。在 凡之内很少观测到等离子体 这说明等离子体环有 个内边界。在木卫一轨道外就没有类似的边界存在 所以木卫一产生的离子向外喷出 注入外部伽利略卫星的表面 尤其是木卫二一 。等离子体向中磁层的膨胀对等离子体环来说是一个重

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