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文章关键词:太阳集团游戏2138,磁层电场

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  地球电磁现象物理学PHYSICSOFELECTROMAGNETICPHENOMENAOFTHEEARTHGEOMAGNETISMANDSPACEWEATHER()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。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,)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)重联磁力线运动磁层大尺度对流电场plasmaVE=××××××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()带电粒子沿磁力线运动时洛仑兹力等于零()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。FormofthethreedimensionalcurrentsystemproducedmagnetosphericconvectionThecurrentsshownincludepolarcusp,Region,Regionandpartialringcurrent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sinconvecErΦϕ=−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。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=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=()B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ˆˆˆ()EEcorotcorotBaBadrrrBrdrωωΦλ=−×=−=−BEEcorotBarωΦ=−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EB×=EBv电场漂移速度:磁场梯度漂移速度:()BBmvqBBqBBµ∇⊥=×∇×=×∇≡BvBEB,BqmvBµµ⊥=−∇=EΦ=−∇E)ra(BqμBqμ==Φ与磁场梯度漂移等效的电位EcorotBarωΦ=−)(BDBv×−∇=ΦsinEBaBaErrqrωµΦϕ=−−有效总电位对流电场位共旋电场位sinconvecErΦϕ=−梯度漂移等效电位BBaqrΦµ∇=总漂移速度磁层赤道面内冷粒子(βμ=)的漂移轨迹()地球附近共旋电场占优粒子东向漂移()远离地球处对流电场占优粒子向地漂移。()早晨一侧两电场同向(向地球)粒子向东(向日)漂移较快。()黄昏一边两电场反向分别使粒子向相反方向漂移()中间区域两种电场大小可比粒子漂移复杂()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:等离子体层EBarEω=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。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=VBlsin()行星际磁场的极角tan()yzBBθ−=****()=sin(),tan(),tan(),()()dynEyzzzyzdDstDstdtDstDstbPcVBllRBBBBBBtDstεττεθθτ−−=−−===−=−:延迟时间其中: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(Akasofu)为了解释AE指数与‘epsilon’函数的相关性•热灾变模型thermalcatastrophemodel(Smith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(McPherron)•近地电流中断模型NECD§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)()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。EEλne(m)Altitude(km)MEANFREEPATHOFELECTRONINTHEIONOSPHERE电子自由程随高度的分布()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。EEEEEEEEEnn(cm)Altitude(km)F中性粒子密度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。太阳集团2138网站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磁层粒子沉降和极光电离层的状态和过程()决定于太阳辐射和大气层性质()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。§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:,年年均值的比较,下图:年月均值的比较地磁活动性年周期变化地磁活动性的年变化()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。()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:两分点极大两至点极小。地磁活动性的半年周期变化为了解释半年变化考虑两种天文因素()太阳经过地球赤道的时间(月日春分点和月日秋分点)()地球经过太阳赤道的时间(月日和月日)。目前地磁活动性高峰的相位还不能确定得十分准确因而无法断定调制活动性的因素是前者还是后者。()年变化和半年变化的磁层原因地球自转轴和地磁轴相对于黄道极轴(即GSE的Z轴)的位置有年变化和日变化。地磁活动性的日周期和冕洞•Kp指数的“琴谱图”地磁活动性其他非周期变化与太阳风()太阳风速度与地磁指数的比较(年均值)()地磁活动与行星际磁场的关系行星际磁场的扇形效应(a)高纬度地磁场Z分量(b)X分量。上三曲线:向日(黑点)、背日(空圈)、通日(虚线)的平均日变化下二曲线:(向日通日)和(背日通日)。§地球电磁环境对人类活动的影响地球上的生物圈和人类是在地磁场环境中发生、发展和演化的。人类生存和发展人类活动会受到地磁场的多方面的影响。研究表明地磁场变化与人体行为和疾病发生有一定关系无线电通信、电力系统、输油管道等技术系统在磁暴期间会发生严重故障。恶劣的“空间天气”对航天活动有重大的影响。地磁环境的生物效应地磁活动性Kp与疾病发生率的关系日本列宁格勒重病一般病澳大利亚全世界每千人地磁场变化对地面技术系统的影响年月日大磁暴加拿大魁北克的电力故障在不到秒钟整个电网完全崩溃。整个魁北克省漆黑一片。着次停电事故使电力公司损失了万美元而用户损失则达几千万甚至数亿美元。北美空军司令部的多个空间跟踪目标丢失地磁活动性与管地电压的相关变化输油管道内产生的巨大感应电流高达A结语、地磁学是一门观测科学注重观测学会组织观测资料(吉尔伯特、BL)、地磁学的基础是物理学学会从现象学推断物理成因(查普曼)、地磁学研究对象是地球学会解决不适定性问题、地磁学是一门应用性很强的学科注重联系实际问题(空间天气)。第一章地磁学概述§电磁场普遍存在的宇宙物质§地磁场地球固有的基本特性§外地核地球主磁场的发源地§岩石圈局部地磁异常的起源§电离层与磁层地球环境的重要组成部分§太阳变化磁场的根本来源§地磁学古老而未成熟的学科第二章地球主磁场的空间结构及其长期变化第一节主磁场空间分布的一般特点第二节主磁场的球谐分析第三节主磁场的多极子表示第四节主磁场模型和地磁坐标系第五节国际参考地磁场第六节主磁场的长期变化第七节主磁场的西向漂移第八节主磁场的极性倒转和古地磁第三章地球主磁场起源第一节地球主磁场起源研究的历史回顾第二节地球发电机过程的深部环境第三节地核介质的力学和电磁特性第四节圆盘发电机第五节运动学发电机第六节湍流发电机和平均场电动力学第七节磁流体发电机第八节地球发电机的能源问题第五章变化磁场及等效电流体系第一节变化磁场的一般特点第二节变化磁场的分析方法第三节变化磁场的等效电流体系第四节平静太阳日变化第五节太阴日变化第六节磁暴与太阳扰日变化第七节地磁亚暴与湾扰第八节钩扰第九节地磁脉动第十节地磁活动性和地磁指数第六章变化磁场起源和空间电流体系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地球电磁现象物理学��PHYSICSOFELECTROMAGNETICPHENOMENAOFTHEEARTH第八章日地空间环境和空间天气磁层中的大尺度过程磁层大尺度对流运动幻灯片编号机制磁场重联:�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磁层大尺度对流电场幻灯片编号磁层晨昏电场幻灯片编号共旋电场幻灯片编号幻灯片编号幻灯片编号磁层赤道面内冷粒子(βμ=)的漂移轨迹幻灯片编号幻灯片编号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)负粒子太阳风能量向磁层的传输磁层顶重联图象能量耦合函数幻灯片编号磁层亚暴磁层亚暴的能量过程主要的亚暴模型§电离层与磁层的耦合电离层特点(与磁层比较)幻灯片编号电离层的形成和结构电离层的垂直结构电离层中电子密度的水平分布磁层粒子沉降和极光同时观测到的形态类似的南极光和北极光场向电流和地磁亚暴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。§地磁活动与太阳的关系地磁活动性的年变化()年变化和半年变化的天文原因地磁活动性的半年周期变化()年变化和半年变化的磁层原因地磁活动性的日周期和冕洞地磁活动性其他非周期变化与太阳风()地磁活动与行星际磁场的关系§地球电磁环境对人类活动的影响地磁环境的生物效应地磁场变化对地面技术系统的影响地磁活动性与管地电压的相关变化结语第一章地磁学概述第二章地球主磁场的空间结构及其长期变化第三章地球主磁场起源第五章变化磁场及等效电流体系第六章变化磁场起源和空间电流体系第八章日地空间环境和空间天气

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