地球空间电场2014分析

1、按照泊松方程，
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，积累的电荷能产生静电场或势场。电荷
积累产生的电场称作极化电场。
2、时变磁场，能产生有旋电场，
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。这种电场称作感应电场。
地球空间环境中还有几种特殊形式的电场。 沿磁力线映射(mapping)产生的电场称作映射电场或投影电场； 引起全球尺度等离子体对流运动的电场称作对流电场； 由于大气的粘性传输作用，地球空间等离子体是与地球共转的。在相对 太阳静止的参照系中测量电场，除对流电场外，还有由于地球自转所引 起的电场，称作旋转电场或共转电场。
➢ 等离子层的电场
环电流在等离子体层顶产生极化电场。其过程是，环电流中的离子 比电子能更深地穿透进等离子体层的内部，从而形成电荷偶极层， 这个电荷偶极层产生极化电场。 等离子体层内的电场有两个源。一是由等离子体层之上的磁层对流 电场向下映射所致，二是由电离层发电机电场向上映射所致。所以， 等离子体层中电场变化很大，尤其是在地磁活动强的时期变化更 大。 ISEE-1 卫星运行在 L=2～6 高度上，1 年观测资料表明，电场的平 均幅度在赤道为 0.2～0.8mV/m。在磁活动剧烈、磁层对流电场成 为主要源时，幅度达 1mV/m，有时可达 2mV/m。
下面主要讨论电场强度、电流密度和电导率的有关性质。
❖ 地球空间电场的源
在地球空间中，产生大尺度、准稳态电场主要的来源有三个， 即：
雷暴电源； 电离层发电机； 磁层顶发电机。 ➢ 雷暴 雷暴是由于地面吸收了大阳光辐射后增温，造成近地面大气 强对流所产生。全球雷暴活动在电离层与地面之间维持 300kV 左右的电位差，约 103 A 的大气垂直电流总量。
击； ➢ 航天器在轨运行期间，防高压充电和高压放电等。
❖ 空间静电环境的特征参量
地球空间内部和外部的电源在地球空间产生空间电场，有时还产生空间电流。 地球空间静电环境，一般可用以下四个参量来描述：
电场强度、电流密度、电导率和带电粒子密度。
电场强度表征空间静电场，是空间电环境最有代表性的参量。由于电位与电场
中性大气中电场的特征
❖ 近地表大气中的电场
大地电极效应对近地表的大气中的电场有显著的影响。 观测表明地表附近存在垂直向下的近地面大气电场。 近地表大气中，体电荷密度分布很不均匀，具有随高度 增加而急剧递减的特征。因此，在近地面大气中的大气 电场，分布不规则，其梯度比较大。 观测表明，平均而言，晴天大气电场随高度指数减少， 而随纬度递增。
地球空间电场
空间电场对空间环境的影响
无论从空间物理和空间环境的基础研究，还是从航天工程应用 的角度看，地球空间电场都是一种重要的空间环境参量。 地球空间电环境研究的重要课题包括： ➢ 在空间等离子体中，电场的形成和时空演化及其效应； ➢ 空间环境中，电流和电导率的时空变化及其效应； ➢ 航天器发射升空和回收着陆期间，防自然雷击与诱发雷
直接关联，很多情况下，空间电场可看作势场，这时，空间电场用电势来表示，
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，单位是
V/m。
电流密度
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表征空间电流，电导率
表征地球空间介质的导电性能。
电流密度与电导率一起，通过欧姆定律，
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，也能表征空间电场。
带电粒子密度是描述空间环境电特性的一种关联参量，通过带电粒子间及带电 粒子与中性大气分子间的碰撞，它决定空间介质的电导率。
➢ 磁层顶发电机 磁层顶发电机是由太阳风驱动的。它产生南北极盖区的晨-昏向 水平电压降，幅度为 30～150kV，在磁层与电离层间产生约 106 A 的电流。磁层顶发电机电场可以几乎无衰耗地通过磁力线而映射 到电离层高度，形成极区电离层电场。
❖ 空间电场的分类
根据麦克斯韦电磁方程组，产生电场的源共有两种：
❖ 平流层大气中的电场
平流层中，大气电场随高度呈较好的指数递减，基本上 不随纬度变化，即不同纬度的电场高度剖面基本一样。 测量表明，尽管纬度相差较大，平流层垂直电场剖面仍 然相当符合。 平流层中大气垂直电场依然受地形影响。 在中纬平流层中，三维电场测量发现，水平电场矢量呈 现半日顺时针旋转，而不是周日变化。
地球外层空间中 电场的特征
❖ 地球空间中的极化电场
电离层极化电场主要由电离层发电机产生。原理如下： 在 80 至 160km 高度之间，由于太阳辐射电离的作用，白天存 在一个平行于地表的良导电层。垂直于磁力线的电流只能在 这个平行于地表的导电层中流动。考虑磁赤道附近的情况， 地磁场和垂直于地磁场的电场如果都平行于这个导电层，则 产生的电流垂直于这个导电层。在这个导电层之下是电绝缘 的中性大气，不能形成电流回路。因此，垂直于这个导电层 的电流将在导电层的上下界面积累电荷，从而产生极化电场。 平衡时，极化电场使得垂直导电层的总电流为零。
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➢ 电离层发电机 电离层发电机主要由潮汐运动(在 E 层)和热层风(在 F 层)驱动， 白天主要在电离层 E 层中产生电场，晚上主要在 F 层中产生电场。 其高度范围约 100～300km，能在 1000km 量级的大尺度范围内产 生幅度约 5～10kV 的水平电位差，总的水平电流约 105 A。
白天中纬电离层计算的电导率高度分布
在中纬电离层中和在中午时段，计算的电导率高度分布如上图所 示。注意，Hall 电导率和 Pederson 电导率的峰值出现在电离层 E 区，纵向电导率随高度上升而不断增大，达到很大的量值。
在电离层发电机区，风场(潮汐风和热层风)是发电机的驱动 力。它们驱动带电粒子运动，生成电场和电流。潮汐风场所 产生的的电场是极化电场。 大尺度风场，如潮汐风场，产生大尺度电流，即 Sq 电流。小 尺度风场即局地风场则产生局地电流。 最有代表性的局地电流结构是赤道电集流和极光电集流。 在印度上空测量得到，对于 5%的电子密度波动，赤道电集流 中电场强度的幅度可达 20mV/m。 理论上，根据热层大气环流的风场可以计算电离层发电机所 产生的电离层电位、电场和电流。
❖ 中层大气中的电场
中层大气电场主要来源于电离层电位和中性大气内部自身的电源， 中层大气内自身的电源主要是雷暴。 电离层电位对全球大气电场的控制作用非常明显。电离层电位垂直 向下几乎可以无衰减地穿透到中层大气。 因为大气电导率向下越来越小，所以电离层大尺度水平电场更容易 垂直向下穿透，100～1000km 大尺度水平电场可以很有效地一直穿 透到地面。1～10km 小尺度水平电场在向下穿透时很快被阻尼损耗 掉。 太阳风/磁层发电机映射到电离层后进一步向下穿透，使高纬的气地电流和地面电场产生约20%的扰动。