引起太阳集团2138网站地磁场剧烈扰 动——亚暴

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文章关键词:太阳集团游戏2138,磁层电场

  地球电磁现象物理学 PHYSICS OF ELECTROMAGNETIC PHENOMENA OF THE EARTH GEOMAGNETISM AND SPACE WEATHER (2012.12.17) 第八章 日地空间环境和空间天气 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 日地空间环境的一般概念 太阳活动 行星际空间的结构和变化 磁层与太阳风的相互作用 电离层与磁层的耦合 地磁活动与太阳的关系 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 A schematic view of the magnetospheric convection pattern induced in the equatorial plane by the viscous interaction of the solar wind with the closed field lines of the magnetosphere (Axford, 1964) 阿尔文层 阿尔文层:分开地 似粘性作用引起的磁层对流 球共转区和磁层 (a)不考虑地球自转 (b)考虑地球自转 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 磁层大尺度对流电场 电场的相对性 B E=0 太阳风 E= -V×B V 磁层 E= -V×B ×× × × ×× plasma E= -V×B 磁层磁力线)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。 Form of the three-dimensional current system produced magnetospheric convection. The currents shown include polar cusp, Region 1, Region 2 and partial ring current. 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 Φ convec = ? E0 r sin ? 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。 在简单的对流电场模型 中,赤道面带电粒子的 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; ? v = ωE r λ 在磁层坐标系:磁层相对于地球向西转: ?×B 于是有: Ecorot =?v × B =?ωE r λ 地磁场近似用共轴偶极子磁场表示 a 3 B = B0 ( ) r B0 地面赤道磁场强度 方向向北 代入上式得 Ecorot ωE B0 a 3 ? B ωE B0 a 3 dΦ corot ??= = ? ? ? λ ×( ) = r r 2 2 r B r dr Φ corot = ? ωE B0 a 3 r 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 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 E×B 电场漂移速度: vE = 2 B 2 1 B B mv⊥ 2 4 × ?( ) = v ?B qB 2 2 磁场梯度漂移速度: ?B E×B = × ?B ≡ 2 qB B2 2 E =? ??B / q, ? =mv⊥ / 2B E = ??Φ μ μ a 3 与磁场梯度 Φ = B = B0( ) 漂移等效的 q q r 电位 对流电场位 共旋电场位 ? 梯度漂移等效电位 Φ convec = ? E0 r sin ? Φ = corot ωE B0 a 3 r Φ ?B = ? B0 a 3 / qr 3 ? B0 a 3 qr 3 有效总电位 ? E0 r sin ? ? Φ= (??Φ ) × B vD = B2 ωE B0 a 3 r + 总漂移速度 磁层赤道面内冷粒子(β1,μ=0)的漂移轨迹 (3) 早晨一侧,两 电场同向(向地 球),粒子向东 (向日)漂移较快。 (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。 (5) 中间区域 , 两种电场大小 可比,粒子漂 移复杂 (1) 远离地球处, 对流电场占优, 粒子向地漂移。 (2) 地球附近 , 共旋电场占优, 粒子东向漂移 (4) 黄昏一边 , 两电场反向, 分别使粒子向 相反方向漂移 2.4 等离子体层 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: r = 2 ωE B0 a E0 3 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。 ? 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。 ? 磁层活动剧烈时,对流电场加强,等离子体层收缩。 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 阿尔文层: 分开地球共 转区和磁层 对流区的界 面。 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”。 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。 ε 4 2 2 = VB l0 sin (θ / 2) ?1 θ = tan ( By / Bz ) 行星际磁场的极角 * d ( Dst * ) Dst -18 = 10 ε ? τ:延迟时间 dt τ 其中:Dst =Dst * + b Pdyn ? c 2 sin 4 (θ / 2)l02 , l0 7 RE = ε VB = ? tan ?1 ( By / Bz ), B 0 ? z θ =? ?1 Bz 0 B B 180 tan ( / ), ? ? y z ? 12.5 τ (t ) = (1 ? 0.0012 Dst * ) 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driven model(Akasofu 1979) 为了解释AE指数与‘epsilon’函数的相关性 ? 热灾变模型thermal catastrophe model(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(McPherron 1979) ? 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。 MEAN FREE PATH OF ELECTRON IN THE IONOSPHERE 3000 2500 Altitude (km) 2000 1500 1000 500 0 0.1 10 1000 100000 1E7 1E9 λn (m) e 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。 F 1E15 1E14 1E13 1E12 1E11 1E10 中性粒子密度 nn(cm-3) 1E9 1E8 1E7 100000 10000 1000 100 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 1000000 Altitude (km) 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 电离层电子密度随高 粒子从高层空间向下进入大 度的变化 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,太阳集团2138网站因此也不会存在很多 电子。 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 1.地磁活动性11年周期变化 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 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,太阳集团2138网站如磁层环电流 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(1) 太阳经过地球赤道的 时 间 (3 月 22 日 春 分 点 和 9 月 22 日 秋分点 ) , ( 2)地球经过太阳赤 道 的 时间 (3 月 5 日 和 9 月 5 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。 (3)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。 3. 地磁活动性的27日周期和冕洞 ? Kp指数的“琴谱图” 4. 地磁活动性其他非周期变化与太阳风 (1) 太阳风速度与地磁指数的比较(年均值) (2) 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)。 §8.7 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。 1. 地磁环境的生物效应 全世界每千人 澳大利亚%000 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 2. 地磁场变化对地面技术系统的影响 1989年3月13-14日大磁暴 加拿大魁北克的电力故障,在不到90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1000万美元,而用户损失则 达几千万甚至数亿美元。 北美空军司令部的 1300 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1000A 结语 1、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、B-L); 2、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); 3、地磁学研究对象是地球—— 学会解决不适定性问题; 4、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 § 1.1 电磁场—普遍存在的宇宙物质 § 1.2 地磁场—地球固有的基本特性 § 1.3 外地核—地球主磁场的发源地 § 1.4 岩石圈—局部地磁异常的起源 § 1.5 电离层与磁层—地球环境的重要组成部分 § 1.6 太阳—变化磁场的根本来源 § 1.7 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 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 地球主磁场起源研究的历史回顾 地球发电机过程的深部环境 地核介质的力学和电磁特性 圆盘发电机 运动学发电机 湍流发电机和平均场电动力学 磁流体发电机 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 第五节 第六节 第七节 第八节 磁层顶电流 赤道环电流 磁尾电流 场向电流 电离层电流 第八章 日地空间环境和空间天气 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 日地空间环境的一般概念 太阳活动 行星际空间的结构和变化 磁层与太阳风的相互作用 电离层与磁层的耦合 地磁活动与太阳的关系 地球电磁环境对人类活动的影响

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