电离层电场与电流课件

电离层电场与电流1.电离层电流的重要性和特点2.Sq的形态学特征和发电机理论4.L的形态学特征和发电机理论5.高纬度地磁变化和电流体系全部材料由徐文耀教授提供，衷心感谢徐教授的支持！

电离层电场与电流1.电离层电流的重要性和特点全部材料由徐文11.电离层电流与电场的重要性和特点

重要性：电离层电流最接近地面（90-150公里高度），是大多数地面地磁变化的直接原因。主要电流：(1)电离层发电机电流产生了Sq和L；(2)场向电流注入电离层，驱动西向和东向极光带电集流，形成亚暴；(3)赤道电集流产生“洪伽约现象”，它起源于赤道特殊的磁场位形。1.电离层电流与电场的重要性和特点重要性：电离层电流最接近2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。电离层特点（与磁层比较）（1）密度大，粒子自由程小，碰撞效应3（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。反之，离子曳力对中性风也有重要作用。（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4（3）因地磁场存在而呈现各向异性，其程度和表现随高度而变，所以，同样的电场在不同高度引起的电流体系有很大差异。

（3）因地磁场存在而呈现各向异性，其程度和表现随高度而变，所5（4）耦合复杂，上面通过场向电流与磁层耦合，下面通过动力学和热力学过程与中层大气耦合，中间与热层耦合。考虑到这些特点，研究电离层问题需要使用广义欧姆定律和电导率张量。（4）耦合复杂，上面通过场向电流与磁层耦合，下面通过动力学和6广义欧姆定律欧姆定律描述电流、电场和电导率的关系。（1）电离层是磁化等离子体，电流不一定沿电场方向流动，因而标量电导率需代之以张量电导率。（2）电离层介质处于运动状态，因此，除了因电荷积累而产生的静电场外，导电介质在磁场中运动会产生感应电场。为此，必须把简单欧姆定律扩展为MHD流体中的广义欧姆定律

两个重要因素：电场和电导率广义欧姆定律欧姆定律描述电流、电场和电7广义欧姆定律考虑等离子体中的静电场和感应电场，广义欧姆定律可写成

zxy广义欧姆定律考虑等离子体中的静电场和感应电场，广义欧姆定律可8电离层电导率电离层电导率9电离层电导率和层电导率

zxy皮德森电导率

霍尔电导率平行电导率

电离层电导率和层电导率zxy皮德森电导率霍尔电导率平10决定电离层电导率的5个因素粒子密度n——测量粒子电荷q——测量磁场B——偶极子模型有效碰撞频率——用测量值计算回旋频率——计算决定电离层电导率的5个因素粒子密度n——测量11电离层电子密度的底部和顶部探测反射频率等离子体频率等离子体密度电离层电子密度的底部和顶部探测反射频率等离子体频率等离子体密12电离层成分的火箭卫星和遥感测定中性成分密度大的多E层主要成分是O2和NO离子F1F2层主要成分是O离子电离层成分的火箭卫星和遥感测定中性成分密度大的多E层主要成分13图6.23中纬度夏季正午电离层电导率的高度变化层电导率图6.23中纬度夏季正午电离层电导率的高度变化层电导率14电离层的异常结构之一

赤道电集流和极光带电集流N电离层的异常结构之一

赤道电集流和极光带电集流N15赤道电集流柯林电导率B赤道电集流柯林电导率B16极光带电集流和场向电流BB在电导率增大的通道内（极光带），初始西向电场驱动北向Hall电流，该电流在高导通道北边缘积累正电荷，南部边缘积累负电荷。这些电荷一部分被场向电流带走，剩余部分产生南向极化电场，驱动南向极化电流，它和没有与场向电流构成回路的那一部分电流抵消。由初始电场和二次极化电场产生的西向电流迭加在一起，形成了强大的西向Cowling电流。极光带电集流和场向电流BB在电导率增大的通道内（极光带），初17电离层的异常结构之二

喷泉效应和赤道电离层异常电离层的异常结构之二

喷泉效应和赤道电离层异常18电离层发电机区的高度范围电离层发电机区的高度范围19由于磁力线一般并不垂直于电离层，所以需要由和计算出沿电离层面的水平电导率：柯林电导率由于磁力线一般并不垂直于电离层，所以需要由和202.Sq的形态学特征和发电机理论

单台Sq的形态和付氏分析2.Sq的形态学特征和发电机理论

单台Sq的形态和付氏分析21Sq的纬度特点Sq的纬度特点223个台站Sq的年变化3个台站Sq的年变化23Sq三要素强度的纬度-LT分布Sq三要素强度的纬度-LT分布24Sq电流体系示意图Sq电流体系示意图25Sq电流体系的季节变化3月6月9月12月Sq电流体系的季节变化3月6月9月12月26不同作者的结果ChapmanandBartelsSugiuraandHeppner1965不同作者的结果ChapmanandBartelsSugi27Matsushita1967Matsushita1969Matsushita1967Matsushita1969284个低纬台站的H太阳日变化曲线——洪伽约现象磁纬5度以内的3个台站磁纬大于5度的3个台站4个低纬台站的H太阳日变化曲线磁纬5度以内的3个台站磁纬大于29极区Sq电流体系与全球电流的关系极区Sq电流体系与全球电流的关系30Sq内外源电流体系Sq内外源电流体系31内外源电流焦点在一天中的变化内外源电流焦点在一天中的变化32二维电离层的广义欧姆定律

Sq的发电机理论二维电离层的广义欧姆定律Sq的发电机理论33假定电离层上下表面没有电流进或流出，则有电流连续方程满足连续方程的电流函数是其分量形式是

假定电离层上下表面没有电流进或流出，则有电流连续方程满足连续34已知电导率、运动速度和磁场，可以在给定边界条件下求解上面发电机方程，得到电流函数和静电位

两种解法：

已知电导率、运动速度和磁场，可以在给定边界条件下求解上面发电35（1）用电流函数表示的发电机方程电离层有效电阻率（1）用电流函数表示的发电机方程电离层有效电阻率36电离层电场与电流课件37（2）用静电位表示的发电机方程

（2）用静电位表示的发电机方程38Sq发电机电流

对Sq贡献最大的潮汐风分量是(1，-1)模，哈夫函数可以用缔合勒让德函数表示Sq发电机电流对Sq贡献最大的潮汐风分量是(1，-1)模，39S(1，-1)模S(1，-1)模40发电机电流体系(a)、电流矢量(b)、静电场(c)和总电场(d)发电机电流体系(a)、电流矢量(b)、静电场(c)和总电场(413、L的形态学特征和发电机机制3、L的形态学特征和发电机机制42用100个地磁台反演的L等效电流体系用100个地磁台反演的L等效电流体系43L的发电机机制对L贡献最大的潮汐风分量是(2，2)模L的发电机机制对L贡献最大的潮汐风分量是(2，2)模44电离层电场与电流课件45L(2,2)太阴时09时发散太阴时15时汇聚21时发散03时汇聚L(2,2)太阴时09时发散太阴时15时汇聚21时发散03时46从地面磁场得到的L等效电流体系(左)与发电机电流体系(右)的比较从地面磁场得到的L等效电流体系(左)与发电机电流体系(右)的47不同作者的结果Chapman不同作者的结果Chapman48MatshushitaandXu1984MatshushitaandXu1984494、高纬度日变化Maeda认为：高纬度太阳日变化=中纬度Sq向高纬度的延伸+(即DP2)起源：磁层对流，也就是说，其生成机制伴随着磁扰。如此说来，高纬度日变化与中低纬度Sq有相似的名称和记号，却又完全不同的起源。4、高纬度日变化Maeda认为：起源：磁层对流，也就是说，其50极区电流体系Sqp(DP2)极区电流体系Sqp(DP2)51亚暴时的极区电流DP1+DP2亚暴时的极区电流DP1+DP252电离层电场与电流课件53电离层电场与电流课件54场向电流产生的电离层电流体系考虑场向电流时，电流连续方程变为

场向电流产生的电离层电流体系考虑场向电流时，电流连续方程变为55电离层电场与电流课件56电离层电场与电流课件57谢谢！谢谢！58

电离层电场与电流1.电离层电流的重要性和特点2.Sq的形态学特征和发电机理论4.L的形态学特征和发电机理论5.高纬度地磁变化和电流体系全部材料由徐文耀教授提供，衷心感谢徐教授的支持！

电离层电场与电流1.电离层电流的重要性和特点全部材料由徐文591.电离层电流与电场的重要性和特点

重要性：电离层电流最接近地面（90-150公里高度），是大多数地面地磁变化的直接原因。主要电流：(1)电离层发电机电流产生了Sq和L；(2)场向电流注入电离层，驱动西向和东向极光带电集流，形成亚暴；(3)赤道电集流产生“洪伽约现象”，它起源于赤道特殊的磁场位形。1.电离层电流与电场的重要性和特点重要性：电离层电流最接近60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。电离层特点（与磁层比较）（1）密度大，粒子自由程小，碰撞效应61（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。反之，离子曳力对中性风也有重要作用。（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62（3）因地磁场存在而呈现各向异性，其程度和表现随高度而变，所以，同样的电场在不同高度引起的电流体系有很大差异。

（3）因地磁场存在而呈现各向异性，其程度和表现随高度而变，所63（4）耦合复杂，上面通过场向电流与磁层耦合，下面通过动力学和热力学过程与中层大气耦合，中间与热层耦合。考虑到这些特点，研究电离层问题需要使用广义欧姆定律和电导率张量。（4）耦合复杂，上面通过场向电流与磁层耦合，下面通过动力学和64广义欧姆定律欧姆定律描述电流、电场和电导率的关系。（1）电离层是磁化等离子体，电流不一定沿电场方向流动，因而标量电导率需代之以张量电导率。（2）电离层介质处于运动状态，因此，除了因电荷积累而产生的静电场外，导电介质在磁场中运动会产生感应电场。为此，必须把简单欧姆定律扩展为MHD流体中的广义欧姆定律

两个重要因素：电场和电导率广义欧姆定律欧姆定律描述电流、电场和电65广义欧姆定律考虑等离子体中的静电场和感应电场，广义欧姆定律可写成

zxy广义欧姆定律考虑等离子体中的静电场和感应电场，广义欧姆定律可66电离层电导率电离层电导率67电离层电导率和层电导率

zxy皮德森电导率

霍尔电导率平行电导率

电离层电导率和层电导率zxy皮德森电导率霍尔电导率平68决定电离层电导率的5个因素粒子密度n——测量粒子电荷q——测量磁场B——偶极子模型有效碰撞频率——用测量值计算回旋频率——计算决定电离层电导率的5个因素粒子密度n——测量69电离层电子密度的底部和顶部探测反射频率等离子体频率等离子体密度电离层电子密度的底部和顶部探测反射频率等离子体频率等离子体密70电离层成分的火箭卫星和遥感测定中性成分密度大的多E层主要成分是O2和NO离子F1F2层主要成分是O离子电离层成分的火箭卫星和遥感测定中性成分密度大的多E层主要成分71图6.23中纬度夏季正午电离层电导率的高度变化层电导率图6.23中纬度夏季正午电离层电导率的高度变化层电导率72电离层的异常结构之一

赤道电集流和极光带电集流N电离层的异常结构之一

赤道电集流和极光带电集流N73赤道电集流柯林电导率B赤道电集流柯林电导率B74极光带电集流和场向电流BB在电导率增大的通道内（极光带），初始西向电场驱动北向Hall电流，该电流在高导通道北边缘积累正电荷，南部边缘积累负电荷。这些电荷一部分被场向电流带走，剩余部分产生南向极化电场，驱动南向极化电流，它和没有与场向电流构成回路的那一部分电流抵消。由初始电场和二次极化电场产生的西向电流迭加在一起，形成了强大的西向Cowling电流。极光带电集流和场向电流BB在电导率增大的通道内（极光带），初75电离层的异常结构之二

喷泉效应和赤道电离层异常电离层的异常结构之二

喷泉效应和赤道电离层异常76电离层发电机区的高度范围电离层发电机区的高度范围77由于磁力线一般并不垂直于电离层，所以需要由和计算出沿电离层面的水平电导率：柯林电导率由于磁力线一般并不垂直于电离层，所以需要由和782.Sq的形态学特征和发电机理论

单台Sq的形态和付氏分析2.Sq的形态学特征和发电机理论

单台Sq的形态和付氏分析79Sq的纬度特点Sq的纬度特点803个台站Sq的年变化3个台站Sq的年变化81Sq三要素强度的纬度-LT分布Sq三要素强度的纬度-LT分布82Sq电流体系示意图Sq电流体系示意图83Sq电流体系的季节变化3月6月9月12月Sq电流体系的季节变化3月6月9月12月84不同作者的结果ChapmanandBartelsSugiuraandHeppner1965不同作者的结果ChapmanandBartelsSugi85Matsushita1967Matsushita1969Matsushita1967Matsushita1969864个低纬台站的H太阳日变化曲线——洪伽约现象磁纬5度以内的3个台站磁纬大于5度的3个台站4个低纬台站的H太阳日变化曲线磁纬5度以内的3个台站磁纬大于87极区Sq电流体系与全球电流的关系极区Sq电流体系与全球电流的关系88Sq内外源电流体系Sq内外源电流体系89内外源电流焦点在一天中的变化内外源电流焦点在一天中的变化90二维电离层的广义欧姆定律

Sq的发电机理论二维电离层的广义欧姆定律Sq的发电机理论91假定电离层上下表面没有电流进或流出，则有电流连续方程满足连续方程的电流函数是其分量形式是

假定电离层上下表面没有电流进或流出，则有电流连续方程满足连续92已知电导率、运动速度和磁场，可以在给定边界条件下求解上面发电机方程，得到电流函数和静电位

两种解法：

已知电导率、运动速度和磁场，可以在给定边界条件下求解上面发电93（1）用电流函数表示的发电机方程电离层有效电阻率（1）用电流函数表示的发电机方程电离层有效电阻率94电离层电场与电流课件95（2）用静电位表示的发电机方程

（2）用静电位表示的发电机方程96Sq发电机电流

对Sq贡献最大的潮汐风分量是(1，-1)模，哈夫函数可以用缔合勒让德函数表示Sq发电机电流对Sq贡献最大的潮汐风分量是(1，-1)模，97S(1，-1)模S(1，-1)模98发电机电流体系(a)、电流矢量(b)、静电场(c)和总电场(d)发电机电流体系(a)、电