地球电磁现象物理学 PHYSICS OF ELECTROMAGNETIC PHENOMENA OF THE EARTH GEOMAGNETISM AND SPACE WEATHER (2012.12.03) 第六章第六章 变化磁场起源和空间电流体系变化磁场起源和空间电流体系 CHAPTER 6 Origin of variable magnetic field and space current system 第一节第一节 磁场中带电粒子的运动磁场中带电粒子的运动 第二节第二节 磁流体中的电流磁流体中的电流 第三节第三节 电离层与磁层电流体系电离层与磁层电流体系 第四节第四节 磁层顶电流磁层顶电流 第五节第五节 赤道环电流赤道环电流 第六节第六节 磁尾电流磁尾电流 第七节第七节 场向电流场向电流 第八节第八节 电离层电流电离层电流 §§6.4 磁层顶电流（磁层顶电流（C-F电流）电流） 早期瞬态模型：早期瞬态模型： 1. 地磁场处于真地磁场处于真 空并无限扩展空并无限扩展 2. 太阳耀斑喷发太阳耀斑喷发 高速介质高速介质瞬态瞬态 压缩压缩地磁场并地磁场并 在边界面上形在边界面上形 成面电流成面电流 太阳大气太阳大气 压缩地磁场压缩地磁场 边界面电流边界面电流 view from the Sun 目前普遍接受的模型：目前普遍接受的模型： （（1））太阳风持续存在，太阳风持续存在， 充满整个行星际空间；充满整个行星际空间；（（2））磁层顶是太阳风和地磁磁层顶是太阳风和地磁 场的分界面，场的分界面，C-F电流是持续存在的电流。
电流是持续存在的电流 太阳风总压与磁层总压力在磁层顶达到平衡由太阳风总压与磁层总压力在磁层顶达到平衡由 于磁层顶内偶极场远大于行星际磁场，而磁层顶外太于磁层顶内偶极场远大于行星际磁场，而磁层顶外太 阳风的速度远大于磁层顶内的等离子体速度，因此，阳风的速度远大于磁层顶内的等离子体速度，因此， 忽略太阳风的磁压和磁层的动压，则太阳风的动压与忽略太阳风的磁压和磁层的动压，则太阳风的动压与 磁层的磁压在磁层顶达到平衡：磁层的磁压在磁层顶达到平衡： 即即 swmpmp p∇=×JB 2 sw mpmp mp p B ∇ =×JB 磁层顶电流从晨侧指向昏侧磁层顶电流从晨侧指向昏侧 |0 mpswmpmp d p dt ρ== −∇+×⇒ u JB C-F电流产生的物理机制电流产生的物理机制 (单粒子理论）单粒子理论） • 太阳风携带的等离子太阳风携带的等离子 体磁场体磁场B太阳风 太阳风λλ 正电荷西向漂移，形成西向环电流正电荷西向漂移，形成西向环电流 西向环电流密度为西向环电流密度为(只考虑离子）只考虑离子） 式中式中 是只与环电流带质子回旋运动是只与环电流带质子回旋运动 有关的动能密度。
有关的动能密度 22 2 3 3 ˆ (1cos) 22 B c mvmv B qBqrB αλ ∇ − =+×∇= −vB 假定环电流是一个半径为假定环电流是一个半径为r，，横截面为横截面为S，，以地心为中以地心为中 心均匀对称的圆环心均匀对称的圆环，，而且环内磁场为常数而且环内磁场为常数，，那么由西那么由西 向环电流密度所决定的总电流为向环电流密度所决定的总电流为 于是可得在地心处产生的磁场为：于是可得在地心处产生的磁场为： 方向与地球赤道磁场的方向相反方向与地球赤道磁场的方向相反 粒子回旋的抗磁效应对磁场的贡献粒子回旋的抗磁效应对磁场的贡献———— 可以用一个偶极子环（半径可以用一个偶极子环（半径r r）的磁场来近似）的磁场来近似 一个粒子的回旋磁矩一个粒子的回旋磁矩 在原点产生的磁场在原点产生的磁场 00 3 ˆ 4 d r B µ ε δ π =Bz 偶极矩为偶极矩为MM，，在赤道在赤道 处的磁场强度为：处的磁场强度为： 0 3 4 M r µ π 偶极子环在原点的磁场偶极子环在原点的磁场 00 33 2 ˆˆ(2) 44 dd rnSE rnS r Br B µπεµ πδ ππ ===BBzz 为回旋粒子的总动能密度为回旋粒子的总动能密度 2ErnSπε=其中：其中： 将两部分磁场相加，得截面积为将两部分磁场相加，得截面积为S，半径为，半径为 r 电流电流 环在地心产生的磁场环在地心产生的磁场 此处此处E表示整个环电流粒子的总能量表示整个环电流粒子的总能量，，M为地球磁矩为地球磁矩。
0 3 22 ˆˆ 4 TDd EE r BM µ π ∆=+= −= −BBBzz 漂移贡献漂移贡献 回旋贡献回旋贡献 • 来源磁尾等离子片来源磁尾等离子片 和电离层的带电粒和电离层的带电粒 子子 • 地磁场捕获后地磁场捕获后，，粒粒 子发生回旋子发生回旋、、反弹反弹 运动和周向漂移运动和周向漂移 • 周向漂移形成环电周向漂移形成环电 流流 被地球偶极磁场所捕获的电子与质被地球偶极磁场所捕获的电子与质 子的运动子的运动 §§6.6 磁尾电流磁尾电流 磁尾电流磁尾电流是磁层中空间尺度最大的电流体是磁层中空间尺度最大的电流体 系系由于太阳风质量由于太阳风质量、、动量和能量向磁层传输动量和能量向磁层传输 主要发生在磁尾主要发生在磁尾，，所以研究磁尾电流对于认识所以研究磁尾电流对于认识 这种传输过程十分重要这种传输过程十分重要 磁尾电流磁尾电流也是极光带电集流的主要来源也是极光带电集流的主要来源，， 在亚暴期间磁尾电流沿磁力线流入电离层在亚暴期间磁尾电流沿磁力线流入电离层，，在在 极区电离层形成复杂的电流体系极区电离层形成复杂的电流体系，，并产生剧烈并产生剧烈 的地磁扰动的地磁扰动。
磁尾电流磁尾电流由中性片电流和磁尾磁层顶电流两部分由中性片电流和磁尾磁层顶电流两部分 组成前者在磁尾中性片由早晨一侧流向黄昏组成前者在磁尾中性片由早晨一侧流向黄昏 一侧，到达磁层边界后，电流沿磁尾磁层顶返一侧，到达磁层边界后，电流沿磁尾磁层顶返 回早晨一侧，从而形成了两个分别包围南、北回早晨一侧，从而形成了两个分别包围南、北 磁尾瓣的半圆柱形电流管磁尾瓣的半圆柱形电流管 从磁尾向太阳方从磁尾向太阳方 向看磁尾电流向看磁尾电流 黄昏黄昏 早晨早晨 磁尾电流形成的两种物理机制磁尾电流形成的两种物理机制 1. 1. 无边界、无电场的一维模型无边界、无电场的一维模型( (哈里斯，哈里斯，1962) 1962) y y 磁场梯度区磁场梯度区 均匀磁场区均匀磁场区 零磁场区零磁场区 2 qB BF vF × = F~ F~ - -▽▽B B 越过中性片正离子既可向左也可向右漂移越过中性片正离子既可向左也可向右漂移，，取决取决 于其通过中性片的投射角于其通过中性片的投射角一般情况下一般情况下，，这种特殊的这种特殊的 位型向左漂移的正离子多位型向左漂移的正离子多 ▽▽B B ▽▽n n 2. 有边界、有电场的模型有边界、有电场的模型(阿尔文，阿尔文，1968) 2 B BE u × = B=0, 粒子在电粒子在电 场作用下加速场作用下加速 运动运动，，形成昏形成昏 向电流向电流。
晨昏电场晨昏电场 阿尔文磁尾模型阿尔文磁尾模型 §§6.7 场向电流场向电流 场向电流场向电流又叫又叫伯克兰电流伯克兰电流，，它沿磁力线流它沿磁力线流 动动，，是磁层空间的一种重要电流体系是磁层空间的一种重要电流体系场向电场向电 流把电离层与磁层联系起来流把电离层与磁层联系起来，，使磁层与电离层使磁层与电离层 构成一个统一的构成一个统一的、、互相耦合的动力学体系互相耦合的动力学体系在在 这个系统中这个系统中，，电离层就象一个巨大的电视屏幕电离层就象一个巨大的电视屏幕，， 把磁层中的过程和现象反映和表现出来把磁层中的过程和现象反映和表现出来，，并被并被 地面仪器观测到地面仪器观测到，，从而使远磁层的地面监测成从而使远磁层的地面监测成 为可能为可能 场向电流的分布场向电流的分布 I2 || II || () ~ 23/ ~ 0 Max JA m J µ− 地磁场扰动时地磁场扰动时: : 地磁场平静时地磁场平静时: : I2 || I ||II ||II |||| ()5/ ~ 1/31/ 4 Max JA m J J JJ µ − 夜间夜间 白天白天 I 区场向电流沿磁力线与磁尾等离子体片电区场向电流沿磁力线与磁尾等离子体片电 流相连流相连 II 区场向电流与部分环电流相连区场向电流与部分环电流相连 §§6.8 电离层电流电离层电流 电离层电流集中分布在电离层电流集中分布在90-150公里高度范围内公里高度范围内，，是最接是最接 近地面的电流体系近地面的电流体系，，是绝大多数地面地磁变化的直是绝大多数地面地磁变化的直 接原因：接原因： Sq和和L等地磁场平静变化等地磁场平静变化是由电离层等离子体在地磁场是由电离层等离子体在地磁场 中运动的发电机过程产生的中运动的发电机过程产生的，， 亚暴时的剧烈磁场扰动亚暴时的剧烈磁场扰动是场向电流注入电离层后是场向电流注入电离层后，，驱动驱动 西向和东向极光电集流而产生的西向和东向极光电集流而产生的，， 赤道带的赤道带的““洪伽约现象洪伽约现象””起源于该处特殊的磁场位形和起源于该处特殊的磁场位形和 东西向电离层电场产生的赤道电集流东西向电离层电场产生的赤道电集流。
电离层与磁层等离子体的差别电离层与磁层等离子体的差别: : 1. 密度大密度大，，碰撞不可忽略碰撞不可忽略．．碰撞引起动量传输碰撞引起动量传输，，于是电于是电 导率和焦耳加热就有意义了导率和焦耳加热就有意义了 2. 中性粒子构成电离层的优势成分中性粒子构成电离层的优势成分．．中性成分的运动对中性成分的运动对 电离层等离子体的运动起着重要作用电离层等离子体的运动起着重要作用 3. 电离层等离子体因地磁场的存在而呈现各向异性电离层等离子体因地磁场的存在而呈现各向异性．．这这 种各向异性的程度和表现随高度而变化种各向异性的程度和表现随高度而变化，，所以所以，，同样同样 的电场在不同高度引起的电流体系有很大差异的电场在不同高度引起的电流体系有很大差异 考虑到这些特点考虑到这些特点，，在研究电离层电动力学问题时在研究电离层电动力学问题时，，需要使需要使 用用广义欧姆定律和电导率张量广义欧姆定律和电导率张量 一、广义欧姆定律一、广义欧姆定律 σ=⋅JE一般欧姆定律一般欧姆定律 广义欧姆定律广义欧姆定律 ()() si σσσ=⋅=⋅+=⋅ −∇Φ+×JEEEuB 标量电导率需代之以张量电导率标量电导率需代之以张量电导率 导电介质切割导电介质切割 磁力线运动产磁力线运动产 生的感应电场生的感应电场 静电场静电场 电流沿电场电流沿电场 电流不一定沿电场电流不一定沿电场 二、电离层电导率二、电离层电导率 考虑由电子和一种离子组成的等离子体，取直考虑由电子和一种离子组成的等离子体，取直 角坐标系角坐标系xyz，磁场沿，磁场沿z方向，方向， 电场在电场在xz平面内，平面内， x x z z y y 电离层电导率张量电离层电导率张量 皮德森电导率，它使电流在皮德森电导率，它使电流在垂直于磁场的电场垂直于磁场的电场 方向流动，因此要消耗能量，产生焦耳热．方向流动，因此要消耗能量，产生焦耳热． 霍尔电导率，它使电流霍尔电导率，它使电流既垂直于磁场又垂直于电既垂直于磁场又垂直于电 场场的方向流动，因此不消耗能量，也不产生焦耳热．的方向流动，因此不消耗能量，也不产生焦耳热． 平行电导率平行电导率, , 也称为普通电导率，它使电流在也称为普通电导率，它使电流在 平行于磁场的电场平行于磁场的电场方向流动。
方向流动 垂直磁场的垂直磁场的 电场分量电场分量 既垂直磁场又垂既垂直磁场又垂 直电场分量直电场分量 平行电场分平行电场分 量量 电离层电导。