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2017年12月17日 星期日

丁酉(鸡)年十月三十

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电离层中的发电机效应 - 正文 [回目录]

  在电离层中,横越地球磁力线的电离层运动产生感应电流,这和发电机中转子切割磁力线产生电流的原理十分相似,故称为发电机效应。所驱动的电流愈大,表示发电机效应愈强。电流的大小主要由电离层电导率和运动速度决定。电离层电导率是各向异性的,又随高度而变化,致使电流主要分布在80~150公里的高度范围,即发电机区之中。不同形式的电离层运动,会产生具有不同时空分布特征的电流体系。发电机效应不仅带来地磁场的各种规则变化(如太阳日变化和太阴日变化等),而且还会改变电离层特别是F层的运动状态和形态特征,例如产生赤道地区F层的双驼峰现象(见电离层形态)。
  电离层电导率 由于电离层是部分电离的,所以电离层是导电的,其电导率同电子密度、离子密度、带电粒子同中性粒子的碰撞频率以及地磁场有关。在磁场作用下,不仅沿电场方向有电流出现,而且还会形成垂直于电场方向的电流。这样,电离层中的电流按流动方向可分为3种形式:第一种是平行于磁场的电流,称为场向电流;第二种是平行于电场,但垂直于磁场的电流,称为佩德森电流;第三种是既垂直于电场又垂直于磁场的电流,称为霍尔电流。设磁场为B,平行于磁场的电场分量为E//,垂直于磁场的电场分量为E寑,则按广义欧姆定律,电流密度j可表为:

j=σ0E//+σ1E寑+σ2E×B/B ,

式中B 为磁场强度,σ0σ1σ2分别为平行电导率、佩德森电导率和霍尔电导率。
  发电机区 发电机电流主要分布区域。在电离层中,电场由两部分组成。一部分是极化电荷产生的极化场Ep,另一部分是电离层运动引起的感应场(或称发电机场)。电离层中的发电机效应,v为运动速度,c为光速。于是电场强度

电离层中的发电机效应

由于发电机场总是同磁场垂直,所以电流的强弱主要决定于垂直磁场方向的电导率,即σ1σ2。在80公里以下,σ1σ2都很小,这是因为带电粒子同中性分子的碰撞频率太高的缘故。在150公里以上,碰撞频率极低,磁场对带电粒子的运动起控制作用,垂直于磁场的电场很难产生垂直于磁力线方向的电流,以致σ1σ2也很小。而在80~150公里之间,离子因碰撞频率高主要受碰撞控制,电子则因碰撞频率低主要受磁场控制,二者运动方式截然不同,从而有垂直于磁场的电流产生,表现为σ1σ2在这一区间为最大值。这一区域即称为发电机区。由于碰撞频率随高度增加而不断减小, 所以σ0总是随高度增加而增加,后果是沿磁力线电位降随高度的增加愈来愈小,以致磁力线可近似地看做等位线。这样,发电机区的电场可以沿磁力线输送到电离层上部区域,带来各种动力学效应,例如在赤道地区就可引起F层的双驼峰现象。
  电流体系 当发电机效应达到稳定平衡时,电流应满足稳恒条件墷·j =0。已知地球磁场、电离层运动速度和电导率的分布,对广义欧姆定律和稳恒条件联立求解,即可求出电离层中的电流分布。另外,根据地面地磁场的规则变化也可以推出电离层中的电流体系。
  各种形式的电离层运动都具有发电机效应。在电离层中的潮汐风以周日分量为主(见电离层运动),其水平风速分布所对应的电流体系,可由地磁场的周日变化推算出来。发电机电流主要集中在 110公里附近的区域(这一结论得到火箭直接探测的证实)。由太阳引潮力和热潮力引起的大气潮汐运动产生的电流体系称为Sq电流系,它随着电离层电子密度的变化而有周日、季节等变化,并受太阳耀斑和日食的影响。月球引力产生的大气潮汐运动在电离层中形成的电流体系称Lq电流系,其变化有半周日特性。Sq电流系和 Lq电流系分别引起地磁场的太阳日变化和太阴日变化,幅度分别为几十纳特和几纳特。
  在白天赤道附近 110公里高度上电流密度很大,这一强电流称为赤道电急流。这是因为在赤道附近的电离层中,地磁场基本沿水平方向,并且电导率随高度变化呈现一峰值,在峰值上面和下面电导率很快下降,该处的霍尔效应使得上下边界积累异号电荷,产生铅直方向极化电场。该电场所产生的霍尔电流大大地加强了水平电流,从而产生了赤道电急流。赤道电急流所对应的电导率称为柯林电导率,记为σ3,它同佩德森电导率σ1和霍尔电导率σ2有如下关系:

电离层中的发电机效应,

于是由σ1σ2可以直接计算σ3随高度的变化。在110公里附近σ3最大,并且比σ2σ1都大得多。

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更新时间 : 2009-04-11

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