✖


Jump to content

Ионосферная область динамо

В области высот от 85 до 200 км на Земле ионосферная плазма является электропроводной. Атмосферные приливные ветры из-за дифференциального солнечного нагрева или гравитационного воздействия Луны перемещают ионосферную плазму против силовых линий геомагнитного поля, таким образом генерируя электрические поля и токи точно так же, как катушка динамо-машины движется против силовых линий магнитного поля. Поэтому эта область называется областью ионосферного динамо . [1] Магнитное проявление этих электрических токов на Земле можно наблюдать в спокойных магнитосферных условиях. Их называют Sq-вариациями (S=солнечная; q=спокойная) и L-вариациями (L=лунная) геомагнитного поля.Дополнительные электрические токи генерируются изменяющимся полем электрической конвекции магнитосферы . Это DP1-токи (авроральные электроджеты) и полярные DP2-токи. [2] Наконец, из наблюдений был получен полярно-кольцевой ток, который зависит от полярности межпланетного магнитного поля . [3] Эти геомагнитные вариации относятся к так называемой внешней части геомагнитного поля . Их амплитуды достигают максимум около 1% основного внутреннего геомагнитного поля B o .

Электропроводность атмосферы

[ редактировать ]

Радиоактивный материал Земли и галактические космические лучи ионизуют небольшую часть атмосферного газа в нижних и средних слоях атмосферы и делают газ электропроводным. Электроны быстро прикрепляются к нейтральным частицам, образуя отрицательные ионы. Положительные ионы в основном однозарядные. Электропроводность зависит от подвижности ионов. Эта подвижность пропорциональна обратной плотности воздуха. Таким образом, электропроводность увеличивается почти экспоненциально с высотой. Ионы движутся вместе с нейтральным газом, делая проводимость изотропной . [4]

Однако на высотах от 85 до 200 км (область динамо) солнечное Х- и крайнее ультрафиолетовое излучение (XUV) почти полностью поглощается, образуя ионосферные D-, E- и F-слои. Здесь электроны уже связаны с геомагнитным полем, несколько раз вращаясь вокруг этих линий, прежде чем они столкнутся с нейтралами, в то время как положительные ионы все еще по существу движутся с нейтральным газом. Таким образом, электропроводность становится анизотропной . Проводимость, параллельная электрическому полю E, называется проводимостью Педерсена . Проводимость, ортогональная E и геомагнитному полю B o, является холловской проводимостью . Омические потери и, следовательно, джоулевый нагрев возникают при протекании токов Педерсена. Компонента, параллельная B o, все еще увеличивается с высотой. Вблизи экватора геомагнитного падения электрическое поле, направленное с запада на восток, генерирует вертикальные токи Холла, которые не могут замыкаться. Следовательно, возникает поле вертикальной поляризации, генерирующее горизонтальный ток Холла, который добавляется к току Педерсена. Такое улучшение описывается Кожуховая проводимость. Проводимости Педерсена и Холла достигают максимальных значений на высотах от 120 до 140 км с показателями около 1 мСм/м в условиях солнечного света. Ночью эти цифры могут уменьшиться в десять и более раз. Значения этих проводимостей зависят от местного времени, широты, сезона и 11-летнего цикла солнечной активности. Интегральная проводимость по высоте становится порядка 50 Ом, или общее сопротивление области динамо составляет около 1/50 = 0,02 Ома в дневное время. [5]

В авроральных регионах, которые лежат между 15° и 20° геомагнитной широты и соответствующими широтами южного полушария, осаждающиеся из магнитосферы частицы высокой энергии ионизируют нейтральный газ, особенно на высотах от 110 до 120 км, и увеличивают электропроводность существенно. В условиях возмущения магнитосферы это усиление проводимости становится намного больше, и авроральные области смещаются к экватору. [2] В условиях низкой электропроводности, например, в ночное время и зимой, область динамо становится слишком резистивной, что приводит к ионосферной обратной связи , [6] что отвечает за более частое возникновение полярных сияний при слабом солнечном свете. [7]

На высотах более 200 км столкновения между нейтралами и плазмой становятся редкими, так что ионы и электроны могут вращаться только вокруг геомагнитных силовых линий или дрейфовать ортогонально E и B o . Параллельная проводимость настолько велика, что геомагнитные силовые линии становятся линиями электрического потенциала, и ( только электрические поля , ортогональные В о могут существовать см. Магнитосфера ).

Атмосферные приливы

[ редактировать ]

Атмосферные приливы — это волны глобального масштаба, возбуждаемые регулярным солнечным дифференциальным нагревом (термальные приливы) или гравитационной приливной силой Луны (гравитационные приливы). Атмосфера ведет себя как огромный волновод, закрытый снизу (поверхность Земли) и открытый в космос сверху. В таком волноводе можно возбуждать бесконечное число мод атмосферных волн. Однако из-за несовершенства волновода только моды самой низкой степени с большими горизонтальными и вертикальными масштабами могут развиваться достаточно хорошо, чтобы их можно было отфильтровать от метеорологического шума. Они являются решениями Лапласа уравнения [8] и называются функциями Хафа . Их можно аппроксимировать суммой сферических гармоник .

Существуют два типа волновых режимов: волны класса 1 (иногда называемые гравитационными волнами) и волны класса 2 (вращательные волны). Волны класса 2 обязаны своим существованием эффекту Кориолиса и могут существовать только в течение периодов, превышающих 12 часов. Приливные волны могут быть либо внутренними (бегущие волны) с положительными собственными значениями (или эквивалентной глубиной), которые имеют конечные вертикальные длины волн и могут переносить энергию волн вверх, либо внешними (затухающие волны) с отрицательными собственными значениями и бесконечно большими вертикальными длинами волн, что означает, что их фазы остаются постоянными. с высотой. Эти внешние волновые моды не могут переносить волновую энергию, и их амплитуды экспоненциально уменьшаются с высотой за пределами областей их источника. Каждая мода характеризуется четырьмя числами: зональным волновым числом n, положительным для волн класса 1 и отрицательным для волн класса 2 (их меридиональная структура усложняется с увеличением номера n), меридиональным волновым числом m, собственным значением и периодом , в нашем случае одна солнечная или лунный день соответственно. Режимы обозначены как (m, n). Четные числа n соответствуют волнам, симметричным относительно экватора, а нечетные числа соответствуют антисимметричным волнам.

На высотах термосферы диссипация атмосферных волн становится значительной, так что на высоте выше примерно 150 км все волновые моды постепенно становятся внешними волнами, а функции Хафа вырождаются до сферических гармоник ; например, мода (1, -2) развивается до сферической гармоники P 1 1 (θ), режим (2, 2) становится P 2 2 (θ), где θ — совместная широта и т. д. [9] Атмосферные приливы наблюдаются радарами внутри и над областью ионосферного динамо в термосфере и могут быть смоделированы с помощью моделей общей циркуляции , хотя механизмы возбуждения этих приливов в настоящее время обсуждаются. [10]

Миграция солнечных приливов

[ редактировать ]

Фундаментальным солнечным суточным приливным режимом, который оптимально соответствует конфигурации поступления солнечного тепла и, следовательно, наиболее сильно возбуждается, является режим (1, -2) -. Оно зависит от местного времени и движется на запад вместе с Солнцем. Это внешняя мода класса 2. Максимальная амплитуда давления на грунт составляет около 60 гПа. [11] Однако внутри термосферы он становится преобладающим режимом, достигая температурных амплитуд в экзосфере не менее 140 К и горизонтальных ветров порядка 100 м/с и более, возрастающих с геомагнитной активностью. [12] Самая крупная солнечная полусуточная волна — мода (2, 2) с максимальными амплитудами давления у земли 120 гПа. Это внутренняя волна класса 1. Его амплитуда увеличивается с высотой. Хотя его солнечное возбуждение вдвое меньше, чем у моды (1, -2), его амплитуда на Земле в два раза больше. Это указывает на эффект подавления внешних волн, в данном случае в четыре раза. [9]

Полусуточные лунные приливы

[ редактировать ]

Доминирующим мигрирующим лунным приливом является режим (2, 2), зависящий от местного лунного времени . Максимальная амплитуда его давления у земли составляет 6 Па, что значительно ниже метеорологического шума. Поэтому обнаружить такой слабый сигнал непросто. [11] Поскольку это внутренние волны, их амплитуда увеличивается с высотой, достигая на высоте 100 км значений, на два порядка больших, чем на земле.

Электрические токи

[ редактировать ]

Квадратный ток

[ редактировать ]

Морфология

[ редактировать ]

Более 100 геомагнитных обсерваторий по всему миру регулярно измеряют изменения магнитного поля Земли . Суточные колебания в отдельные дни спокойной геомагнитной активности используются для определения среднемесячного значения. Из горизонтальной составляющей ΔH таких данных можно вывести соответствующую систему эквивалентного электрического листового тока над головой при высотах слоя динамо-машины с прочностью.

J = 2 ΔH/μ = 1,6 ΔH

где J (в миллиамперах/метр) — электрический ток верхнего слоя, ΔH (в наноТесла) — наблюдаемая горизонтальная составляющая геомагнитных отклонений, а μ — электрическая проницаемость свободного пространства. [1] Направление магнитного поля относительно тока можно определить по простому эмпирическому правилу: если большой палец правой руки указывает в направлении тока, изогнутые пальцы указывают направление соответствующего магнитного поля.

Следует учитывать, что эта связь не уникальна. В общем, электрические токи в ионосфере и магнитосфере трехмерны, и бесконечное количество конфигураций тока соответствует геомагнитным изменениям, наблюдаемым на Земле. [13] Магнитные измерения в космосе необходимы для получения реалистичной картины.

Рис. 1. Линии тока эквивалентного ионосферного тока Sq во время равноденствия (1957 – 1969 гг.) в 12 UT, разделенные на первичную (а) и вторичную (б) части. Между двумя линиями тока протекает ток 20 кА. [14]

На рисунке 1а показаны линии тока эквивалентного тока Sq, видимые со стороны Солнца в полдень. Эта текущая конфигурация привязана к Солнцу, а Земля вращается под ним. В пределах одного дневного вихря протекает суммарный ток около 140 кА. Вращающийся ток Sq и электропроводящая внутренняя часть Земли ведут себя как огромный трансформатор, где область динамо-машины является первичной обмоткой, а Земля — вторичной обмоткой. Поскольку ток Sq меняется в течение основного периода в один день, в недрах Земли индуцируются электрические токи. Магнитное поле этого вторичного тока накладывается на магнитное поле первичного тока Sq. Методы разделения обеих составляющих восходят к Гауссу . Амплитуда вторичного тока составляет около 1/3 амплитуды первичного тока и слегка сдвинута по фазе. На рисунке 1б показан этот вторичный компонент. Приведенное выше соотношение между токовым током и магнитной составляющей теперь имеет просто единицу.

Ток в кв зависит от сезона. Летний вихрь усилен по сравнению с зимним и достигает зимнего полушария. Существует продольная зависимость тока Sq, связанная с наклонной дипольной составляющей внутреннего магнитного поля, но, возможно, также с немигрирующими приливными волнами снизу. [15] В течение 11-летнего солнечного цикла амплитуда Sq увеличивается более чем в два раза от минимума солнечных пятен до максимума. Две трети этого увеличения могут быть результатом увеличения электропроводности при солнечной активности. Остальное, вероятно, связано с увеличением скорости ветра, вызванным повышением температуры с увеличением солнечной активности. Ночью электронная плотность E-слоя ионосферы уменьшается гораздо сильнее, чем F-слоя . Поэтому центр высоты области динамо смещается вверх. [16]

Основным драйвером течения Sq является внешняя (1, -2) мода приливной волны. Благодаря постоянной фазе с высотой наиболее эффективно создавать когерентные ветры на высоте слоя динамо-машины. [17] тогда как токи, генерируемые внутренними модами, разрушительно мешают на разных высотах. [18] Анализ Фурье показывает полусуточную составляющую с амплитудой 1/2 амплитуды суточной составляющей, сдвинутую по фазе на 180°. По-видимому, это результат нелинейной связи между произведением суточно меняющегося ветра и суточно меняющейся проводимости. . [19] Центры дневных вихрей демонстрируют суточную изменчивость. Это можно объяснить внутренними приливными режимами, чувствительными к меняющимся метеорологическим условиям в нижних и средних слоях атмосферы, отчасти также к солнечной активности.

Вблизи экватора падения (где силовые линии геомагнитного поля горизонтальны) сильная полоса текущих течений восточного направления может наблюдаться в диапазоне около 150 км от экватора.. [1] Такое увеличение тока Sq примерно в четыре раза обусловлено проводимостью Каулинга. Во время солнечной вспышки всплески солнечной радиации из окружающей среды активного пятна достигают верхних слоев атмосферы, главным образом на высотах E- и D-слоев, и длятся максимум один час. Электропроводность увеличивается, а ток Sq усиливается в дневном полушарии. Происходит небольшое увеличение, называемое эффектом геомагнитной солнечной вспышки или «крючком». [20] Во время солнечного затмения электропроводность уменьшается в области тени, а ток Sq и, следовательно, изменение Sq уменьшаются на несколько нТл в этой области. [21] Это называется эффектом геомагнитного солнечного затмения. Оба события можно наблюдать только во время спокойной геомагнитной активности.

В результате сильных магнитосферных возмущений токовая система превращается в квази анти-Sq-ток. Он генерируется джоулевым нагревом в полярной термосфере . [22] [23] Эта нынешняя система называется Ddyn.

Теория

[ редактировать ]
Рисунок 2. Блок-схема, иллюстрирующая связь между горизонтальным ветром U и давлением p через силу Ампера j x B o и силу Лоренца U x B o . Здесь j — плотность электрического тока, B o — геомагнитное поле, h — эквивалентная глубина, σ — электропроводность, E — поле электрической поляризации. При самосогласованном рассмотрении связанной системы ворота B должны быть закрыты. В традиционных теориях динамо ворота B открыты.

Чтобы количественно определить динамо-действие нейтрального ветра U , нужно начать с уравнения горизонтального импульса ветра вместе с уравнением дивергенции ветра. Уравнение количества движения уравновешивает силу инерции, силу Кориолиса и горизонтальный градиент давления p. Кроме того, сила Ампера J x B o связывает плотность электрического тока j с системой ветра и давления. Эквивалентная глубина h (собственное значение приливной моды) определяет дивергенцию ветра. Электрический ток должен подчиняться . закону Ома Поле электрической поляризации E создается за счет разделения зарядов, чтобы обеспечить отсутствие источников и стоков тока. Обратная связь между ветром и электрическим током осуществляется посредством силы U x B. Лоренца Обычно тензор электропроводности σ рассматривается как заданный набор данных, и тензор проводимости, интегрированный по высоте Σ , и ток J , интегрированный по высоте. применяются [24]

В традиционных моделях силой Ампера пренебрегают. Это означает, что ворота B на рисунке 2 открыты. Это называется кинематическим динамо. Модели с закрытым затвором B называются гидромагнитными динамо. Влияние взаимной связи ветра и тока можно сразу увидеть, если принять во внимание бесконечно большую электропроводность σ. В кинематической модели электрический ток стал бы бесконечно большим, а амплитуда ветра осталась бы постоянной. В гидромагнитной модели ток достигает верхнего предела, как в технической динамо-машине при коротком замыкании, а амплитуда ветра падает до доли своего первоначального значения. Разделение зарядов действует как самосопротивление, препятствующее тому, чтобы ток стал бесконечно большим. [19]

L-ток

[ редактировать ]

Лунные (L) токи примерно в 20 раз слабее, чем Sq-токи. Доминирующим компонентом ветра, вызывающим эти течения, является приливный режим (2, 2). Ток L по форме аналогичен току Sq, с той разницей, что на выходе выходят четыре вихря вместо двух. В каждом вихре течет суммарный ток около 4 кА. Сезонное изменение L аналогично изменению Sq. В солнечные часы L сильно увеличивается, а ночью приближается к нулю. Таким образом, L-ток имеет, кроме того, модуляцию, зависящую от лунной фазы. [1] Геомагнитный эффект L-тока лучше всего можно увидеть вблизи экватора падения, где проводимость Коулинга сильно усиливает этот ток. [1]

DP1-Ток

[ редактировать ]

Взаимодействие плазмы солнечного ветра с полярным геомагнитным полем глобального масштаба, создает магнитосферное электрическое конвекционное поле направленное от рассвета до заката, с разностью потенциалов около 15 кВ в спокойных магнитосферных условиях, существенно возрастающей в возмущенных условиях. Разделение зарядов происходит на магнитопаузе . Эта область связана с областью ионосферного динамо через первые открытые силовые линии геомагнитного поля с одной точкой в ​​пределах авроральных областей. Таким образом, электрические разрядные токи могут протекать через продольные токи в виде двух небольших полос внутри слоя динамо авроральной зоны как в дневное, так и в ночном полушарии. Эти токи называются токами DP1 или авроральными электроджетами. Их величина порядка мегаампер. [2] Омические потери и, следовательно, джоулев нагрев этих токов сравнимы с потерями, вызванными солнечным подводом XUV-тепла в средних и нижних широтах в спокойных условиях, и намного больше в возмущенных условиях. Следовательно, он доминирует в динамике ионосферы и термосферы и вызывает ионосферные и термосферные бури. [25] [26]

DP2-ток

[ редактировать ]

создает Поле электрической конвекции магнитосферы внутри полярной чаши двухячеечный ток, вихри которого расположены на утренней и вечерней стороне. Это называется ток DP2. Этот ток существует уже в спокойных условиях (S q п ) и усиливается в нарушенных условиях. В основном он состоит из электрических токов Холла. [1] [27]

Полярно-кольцевой ток

[ редактировать ]

Если азимутальная компонента межпланетного магнитного поля (ММП) направлена ​​в сторону сумерек, то магнитосферная плазма замедляется в северной полярной шапке и ускоряется в южной полярной шапке. Если азимутальная компонента ММП направлена ​​к рассвету, ситуация обратная. Это отклонение от совместного вращения исчезает в более низких широтах. Магнитное воздействие на Землю в полярных областях соответствует ионосферному току Холла около 10 тот полярное расстояние, окружающее магнитные полюса по часовой стрелке, как видит наблюдатель, стоящий на земле во время межпланетных секторов с полями, направленными от Солнца, и против часовой стрелки во время полярности, направленной к сектору. [19] [28]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с д и ж Чепмен, С.Дж. и Дж. Бартельс, «Геомагнетизм», Clarendon Press, 1951.
  2. ^ Jump up to: а б с Акасофу, С.И., «Физика магнитосферных суббурь», Рейдель, Дордрехт, 1977 г.
  3. ^ Хеппнер, Дж. П., в Дайере, Э. Р. (редактор), «Критические проблемы физики магнитосферы», Nat. акад. Sci., Вашингтон, округ Колумбия, с. 107. 1972 г.
  4. ^ Виджиано, А.А., и Ф. Арнольд, Волланд, Х. (редактор), «Справочник по атмосферной электродинамике», Vol. 1, с. 1, CRC Press, Бока-Ратон, Флорида, 1995 г.
  5. ^ Фейер, А.А., преп. Геофиз., 2, 275, 1964.
  6. ^ Похотелов Д.; Лотко, В.; Стрельцов, А.В. (2002). «Влияние сезонной асимметрии ионосферной педерсеновской проводимости на появление дискретных полярных сияний» . Письма о геофизических исследованиях . 29 (10). дои : 10.1029/2001GL014010 .
  7. ^ Ньюэлл, ПТ; Мэн, К.-И.; Лайонс, К.М. (1996). «Подавление дискретных полярных сияний солнечным светом». Природа . 381 . дои : 10.1038/381766a0 .
  8. ^ Лонге-Хиггинс, MS, «Собственные функции приливных уравнений Лапласа над сферой», Phil. Пер. Рой. Soc.», Лондон, A262, стр. 511, 1968 г.
  9. ^ Jump up to: а б Волланд Х., «Атмосферные приливные и планетарные волны», Kluwer Publ., Дордрехт, 1988 г.
  10. ^ Гинцкофер, Ф.; Похотелов Д.; Стобер, Г.; и др. (25 сентября 2022 г.). «Определение происхождения приливных колебаний в ионосферной переходной области с помощью радара EISCAT и данных глобального моделирования». Журнал геофизических исследований: Космическая физика . 127 (10). дои : 10.1029/2022JA030861 .
  11. ^ Jump up to: а б Чепмен С. и Р.С. Линдзен, «Атмосферные приливы», Клювер Дордрехт, 1970 г.
  12. ^ Коль, Х. и Дж. В. Кинг, J. Atm. Терр. Физ., 29,1045, 1967 г.
  13. ^ Фукусима, Н., Radio Sci., 6, 269, 1971.
  14. ^ Малин, SRC, Фил Транс. R. Soc., Лондон, сер. А 274, 551,1973
  15. ^ Форбс, Дж. М., вообще., Дж. Геофиз. Рез., Космическая физика, 113, 17, 2008.
  16. ^ Мацусита, С., и WH Campell, WH (ред.), «Физика геомагнитных явлений», Vol. I и II, Academic Press, Нью-Йорк, 1967 г.
  17. ^ Като, С., Дж. Геофиз. Рез., 71, 3211, 1966 г.
  18. ^ Форбс, Дж. М., J. Geophys.Res. 87, 5222, 1988 г.
  19. ^ Jump up to: а б с Волланд Х., «Атмосферная электродинамика», Клювер, Дордрехт, 1984 г.
  20. ^ Ричмонд, A.DF., и С.В. Венкатесмаран, J. Geophys. Рез., 81, 139, 1971 г.
  21. ^ Вагнер, CU, J. Atm. Терр. физ., 25529,1963.
  22. ^ Блан, М., и А.Д. Ричмонд, Дж. Геофиз. Рез., 85, 1669, 1980 г.
  23. ^ Зака, К.З. и др., Ann. Геофиз., 27, 3523, 2009.
  24. ^ Ричмонд, AD, Geomagn. и Геоэлектр. 31, 287, 1979 г.
  25. ^ Проелсс, Г.В., Волланд, Х. (редактор), «Справочник по атмосферной электродинамике», Vol. II, стр. 195, CRC Press, Бока-Ратон, Флорида, 1995 г.
  26. ^ Проелсс, GW, Surv. Геофиз. 32, 101, 2011
  27. ^ Нисида А. и С. Кокубун, преподобный Geophys. Космические науки, 9, 417, 1971.
  28. ^ Свальгаард, Л., Дж. Геофиз. Рез., 78, 2064, 1973 г.

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
  • MC Келли (2009). Ионосфера Земли: физика плазмы и электродинамика . Академическая пресса, Нью-Йорк.
  • Г. Проелсс и М.К. Берд (2010). Физика космической среды Земли: Введение . Шпрингер, Берлин.
  • А. Брекке (2013). Физика верхней полярной атмосферы . Шпрингер, Берлин.
[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ionospheric_dynamo_region&oldid=1199556120"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 02446e0183c68c1a418edd5f671b6a37__1706339820
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/02/37/02446e0183c68c1a418edd5f671b6a37.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Ionospheric dynamo region - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)