9高纬电离层电动力学VIP专享VIP免费

高纬电离层电动力学高纬电离层电动力学主要讨论电离层等离子体在垂直于磁力线的平面内的宏观运动。因为磁力线接近垂直，垂直于磁力线的平面内等离子体的运动相当于在水平面内的运动。这里只考虑100km以上的大尺度结构。与压强梯度和重力相比，电场力起支配作用，所以，对等离子体垂直于磁力线的运动，只需要考虑外加的电场力和中性风。为了理解起驱动作用的电场的特征和它的起源，首先需要简单地讨论在电离层-磁层-太阳风系统中电场和电流的相互关系。这些场和电流通过地磁场耦合。太阳风-磁层-电离层的电耦合考虑电离层与磁层和太阳风的电耦合时，原理上和实践中经常都可以粗略地把电离层与磁层分成两个区域来讨论，一个在电离层中，另一个在磁层中。前者在200km高度以下，后者在2000km高度以上。200km以下的电离层可以认为是电阻型介质，电场和电流满足J(EUB)(1)式中是J电流密度,是电导率张量,U是中性风速,E和B是电场和磁场。2000km高度以上的磁层等离子体可以看作无碰撞等离子体，电导率无穷大，控制电流、电场和等离子体速度V的方程是0BVE或VEB/B2(2)BJgpdt/Vd(3)(2)式表明，在较高高度区，测量等离子体流速可以估计空间电场，反之亦然。做方程(1.3)两边与ˆB的矢积，Bˆ)BJ(BˆgBˆpBˆdt/Vd因为//ˆ(JB)BBJJBBJ，由此得到垂直于磁场的电流为，)pBgBdt/VdB)(B/(J21(4)注意，全微分，VVtVdtVd//。与等离子体压强梯度项相比，重力项一般可以忽略。由(4)式可见，在高度很高的磁层中，垂直于磁场的电流是由等离子体压强梯度和随时空变化的等离子体流所控制。由(2)式可看到，电场和磁场引起等离子体EB漂移运动，电场本身不直接生成电流。200km以下和2000m以上这两个区域的电耦合由以下两个方程描述，电流连续性方程0J(5)法拉第定律t/BE(6)以上方程能应用于整个太阳风-磁层-电离层系统。因为我们仅仅是定性地考察磁层与电离层的耦合，这些区域的边界条件可以不那么严格地定义。200km到2000km之间的区域是一个过渡带，依研究的目的不同，既可以将过渡带归类为电阻型介质，也可以将过渡带归类为无碰撞等离子体。不过，对于大部分研究目的，过渡带等离子体的运动由方程(2)所决定。也就是说可以视为无碰撞等离子体。在下面的所有讨论中，我们都假定连接上述两个区域的磁力线即过渡带的磁力线为等电势线。这一假定在极光带的较低磁层不适用。在该区域，电子和离子被平行电场加速。根据磁场的几何构形，2000km以上的空间又可以分成拓朴结构不同的两个区域：开放磁力线区和闭合磁力线区。在纬度最高的地方，磁力线延伸至磁层顶，进而进入磁鞘和太阳风，或者延伸至磁尾进入位于磁层顶以内的边界层。延伸到磁鞘的磁力线是开放的，即它们仅有一端在地球上，而另一端与行星际磁场相连。这些开放磁力线向下延伸到电离层，形成极盖区。延伸到边界层和内磁层的磁力线是闭合的，它们的两端都在地球上，尽管在磁尾磁力线可能被拉得很长。在磁鞘和边界层内，由膨胀的太阳大气驱动，等离子体背离太阳高速流动。在内磁层，主要是向太阳运动。不过，内磁层等离子体流动依赖于等离子体压强和内外部电场的共同作用，流向可变。南向IMF的定性描述在电离层-磁层-太阳风构成的系统中，电场、电流和能量耦合的某些基本性质可以这样来理解：考虑电离层中的磁力线与南向IMF的磁力线相连接，它们定义了极盖区。因为太阳风等离子体是无碰撞的，并且从太阳高速向外膨胀，太阳风中的电场为，swswswBVE(7)当太阳风磁场有南向的分量时，太阳风电场swE将有一个从晨...