电离层物理与电波传播5
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
c) 纵向电导率、佩特森电导率和 Hall 电导率的高度剖面。基于 1991 年 8 月 12 日 EISCAT 雷达测量导 出。这些是夏季静日的典型剖面。
电离层气体导电性分析
前面讲到，由于电离层中存在充分数量的电子和离子，在驱动力作用下， 它们都可以运动，所以电离层具有导电性，可以承载电流。 电离层电导率主要受电离密度、碰撞频率和磁旋频率的控制。
)
ki,e
(
U
bˆ
)
/(
1
k2 i ,e
)
Vi ViE ViU ViP ViG , Ve VeE VeU VeP VeG
这四种力驱动的电离层电流
j en(Vi Ve ) en[(ViE VeE )+(ViU VeU )+(ViP VeP )+(ViG VeG )] = jE jU jP jG
大约 100km 高度以上， ke ki 。根据纵向电导率 o 的表达式，电子
的作用是主要的，近似有， o enkeB 。
o 随高度升高指数地增大。
离子和电子对 P 的贡献分别在 ki =1 和 ke =1 的高度上最大， ki =1 的高度约 125km， ke =1 的高度约 75km。在 ki =1 和 ke =1 的高度， P 的离子和电子项
)1 [(
n n
Ti,e Ti,e
) ki ,e (
n n
Ti,e Ti,e
) bˆ ]
Vg i,e
Di,e H i,e
gˆ //
Di,e H i,e
(
1
k2 i ,e
)1( gˆ
ki ,e gˆ bˆ )
VU i,e
U//
U
/(
1
k2 i,e
JX
JY
( en
/
B
)
(
1
ki ki2
1
ke ke2
0,
),
J Z
(
1
ke2 ke2
ki2 1 ki2
),
0, ( ki ke ),
0,
(
1
ke2 ke2
(
1
ki ki2
0
ki2 1 ki2
ke 1 ke2
ViE bi E// (1 ki2 )1 [ bi E kibi E bˆ] 电场驱动的电离层电流为
j E en(ViE VeE )
代入电场驱动的电子和离子速度表达式得到
jE
ne B {( ke
ki
)E //
[
1
ki ki2
ke 1 ke2
] E
[
电离层电流密度
在电场、压强梯度、重力和风场驱动下，离子和电子的运动速度分别为
VE i,e
ki,e E//
/
B
(
1
k2 i ,e
)1( E
ki ,e E bˆ ) / B
VP i,e
Di,e ( // n
/
n // Ti,e
/
Ti,e
)
Di,e(1来自k2 i ,e
用矩阵形式表示
J
JX JY
Vi ,x en Vi ,y
Ve
,x
Ve ,y
P
0
0
0
H
0
E E
x y
JZ
Vi
,z
Ve ,z
H
0
P
Ez
把电子和离子运动速度表达式代入，整理后可以得到，
电离层物理与电波传播
电离层发电机理论
电离层发电机理论涉及电离层电导率的空间分布、电流和电场的产生 以及电离层发电机的驱动力。
在 E 层约 100 km 至 130km 的高度，佩德森电导率 P 和 Hall 电导率 H
有极大值，使 E 层成为良导电层。 白天，在低纬赤道区，大气潮汐驱动 E 层中的带电粒子在地磁场中作 切割磁力线运动，从而产生电场和电流。一般称这种机制为电离层发 电机或大气发电机。因为它位于 E 层，也称 E 层为发电机层。 夜间，E 层电导率降低，而 F 层依然有较高的电导率。在热层风驱动 下，F 层带电粒子在地磁场中作切割磁力线运动，从而也产生电场和 电流。形成夜间 F 层发电机。
1
ke2 ke2
ki2 1 ki2
] E bˆ }
中性风驱动的电离层电流
中性风驱动的电子和离子的运动速度为
VeU
keU
bˆ ke2 (U bˆ ) bˆ ( 1 ke2 )
U
ViU
kiU bˆ ki2 (U bˆ ) bˆ ( 1 ki2 )
Pedersen 电导率相比可以忽略不计，这个高度大约在 200km 以上。
对三种不同的电离层高度，Vi 和Ve 随外加电场变化的示意图
a) 离子-中性粒子和电子-中性粒子 碰撞频率的典型高度剖面 （ 6939N ,1856E ），作为比较还 显示了离子和电子的回旋频率；
b) 由图 a)导出的离子和电子迁移 系 数 （ ki i / in ,k e / en ） 的高度剖面；
用 P 和 H 表示这两个电导率，分别称作佩德森电导率
和霍尔电导率。
如果电场与磁场方向平行，那么，带电粒子在环绕磁力线回旋运动的 同时，引导中心沿磁场方向漂移。 在电离层中，电子磁旋频率（周期）约 1MHz( 106s ) ，离子磁旋频率（周 期）约 102 Hz( 102s ) 。在远大于磁旋周期的时间尺度上，可以不考虑绕 磁力线的回旋运动。 在纵向电场力作用下，引导中心的漂移速度为，
)(
ki 1 ki2
ke 1 ke2
)
H
( enB ) (
ke2 1 ke2
ki2 1 ki2
)
用磁旋频率和碰撞频率表示，三个电导率也可以写成，
0 ( enB ) ( i i e e )
p
( enB
)
[( i i
)(
1
i2
高度 70km
en
107 Hz
e
e / en
106 Hz
10 -1
地磁场和碰撞的影响，在平衡态，电场力驱动的带电
粒子运动方程为， qjn( E Vj B ) nmj jnVj 0 整理上式可以得到，
对于离子
Vi
bi E //
bi 1 ki2
E
ki bi 1 ki2
E bˆ ；
对于电子
Ve
be E //
be 1 ke2
E
电场驱动的电离层电流
假设满足电中性，且只有一种正离子，在电离层中给定的高度上，电流
密度为 j en(Vi Ve )，它的量纲是 A / m2 。 当存在磁场时，在极化电场的驱动下，电子和正离子的运动速度为
VeE be E// (1 ke2 )1 [ be E kebe E bˆ]
U
中性风驱动的电流为
j U en(ViU VeU )
en[(
ki
1
k
2 j
ke 1 ke2
)( U
bˆ
)(
ke2 1 ke2
ki2 1 ki2
)( U
bˆ ) bˆ ]
压强梯度力驱动的电流
当考虑压强梯度时，忽略温度梯度，电子和离子运动
速度分别为
Vi P
qj E// mj V jn // 0 Vj，// qj E// m j jn ，
式中下标 j i,e 分别表示电子和离子，Vj 表示电子或离子的漂移速度， m j 是电子或离子的质量， jn 是电子或离子与中性成分的碰撞频率。电 子和离子的电荷符号相反，它们沿磁力线在相反的方向上漂移运动。
) )
Ex Ey Ez
P
0
0 0
H 0
E E
x y
H
0
P
E
z
比较方程的左右两边不难得到，
0 ( enB ) ( ki ke )
p
( enB
，
ke2 1 ke2
ki2 1 ki2
1
ki2 1 ki2
1 1 ki2
，
近似有
p
ne B
ki ( 1 ki2
)
,
H
1 ki
p。
在较低的 E 区， ki 接近 1，Hall 电导率与 Pedersen 电导率大小可以比较。
但随高度增高，离子和电子的贡献相互抵消， Hall 电流迅速下降，与
)n bˆ
e(
De 1 ke2
Di 1 ki2
) n
重力驱动的电流
重力驱动的离子和电子运动速度
ViG
1
in
g //
1
in
( g ki g bˆ ) ( 1 ki2 )
VeG
1
en
g //
1
en
(
g ke g bˆ ) ( 1 ke2 )
ke be 1 ke2
E bˆ 。
选取一个坐标系，x轴指向磁东，y轴指向磁北，z轴垂
直向上。在磁赤道，bˆ ( 0 ,1,0 )，电场矢量有三个分量，
E
(Ex , E y , Ez ) ， E
( Ex ,0, Ez
)， E//
(0,Ey ,0 )
那么电流为
J J// J oE// P E H (E bˆ )
J E 用 E// 和 E 分别表示垂直于磁场的电场分量和平行 于磁场的电场分量，则 J // E// E // 和 分别称作纵向电导率和横向电导率。
一般情况下，电场同时存在平行和垂直于磁场的分量。 若存在垂直于磁场的电场或电场的分量，就会出现垂直 于磁场的等离子体运动和电流。 垂直于磁场的电流可能出现在两个方向，这两个方向都 垂直于磁场，但一个平行于电场，称作佩德森(Pedersen) 电流，另一个垂直于电场，称作霍尔(Hall)电流。 此时，需要定义两个横向电导率，分别对应这两个电流。
纵向电场 E// 驱动的沿磁场方向电子和离子的漂移速度分别为，
Vi,// eE// mi in
Ve,// eE// me en ，
电子和离子电流方向相反，总电流是离子电流和电子电流相加。
考虑到电中性， ni ne n ，因此得到，
J// en(Vi // Ve // ) en( emiin emeen )E// 用 bi 和 be 分别表示离子和电子的迁移率，它们定义为
重力驱动的电流
jG
1 en(
in
1
en
)g //
+en[
in (
ki 1
ki2
)
en (
ke 1
ke2
)
]g
en[
in (
ki2 1
ki2
)
ke2
en ( 1
ke2
)
]g bˆ
电离层电导率
在各向同性介质中，电导率是一个标量，它定义为电 流密度与电场强度之比例系数， J E 由于地磁场对带电粒子运动的影响，电离层成为各向 异性介质。在各向异性介质中，电导率是一个张量
2 i
)1
( e e
)(
1
e2
2 e
)1
]
H
( enB ) [( e e
)2
(
1
e2
2 e
)1
( i i
)2
(
1
i2
2 i
)1 ]
可以看出，电导率正比于电子密度、反比于磁通量密度，并且和磁旋
频率与碰撞频率之比 k j 有关。
因为电子密度 n 和 k j 都显著地随高度变化，所以电导率也随高度变化。
Di
// n n
Di 1 ki2
(
n n
ki
n bˆ n
)，
VeP
De
// n n
De 1 ke2
(
n n
ke
n n
bˆ ) ，式中 bˆ
BB
。
压强梯度驱动的电流
jP
e( Di
De
)
//
n
e(
ki Di 1 ki2
ke De 1 ke2 e
bi emi in ， be e me e n 这样， J/ / e n ( bi be )，E/ / 与 J / / /E/ 比/ / 较，得到 / / e n ( bi be )
// 称作纵向电导率或平行电导率， // 有时也用 o 表示。
一般情况下，同时存在纵向和横向电场分量，考虑
取值分别为 0.5en / B 。
电子对 P 的贡献最大在 D 区，即 100km 以下。在更高的高度以上，离子的
贡献是主要的。
在
E
区以上的高度， ke >>ki
1，1
ke2
ke2
， ke1
1 ， ke1
k
1 i
，
ki 1 ki2
ke 1 ke2
ki 1 ki2
电离层气体导电性分析
前面讲到，由于电离层中存在充分数量的电子和离子，在驱动力作用下， 它们都可以运动，所以电离层具有导电性，可以承载电流。 电离层电导率主要受电离密度、碰撞频率和磁旋频率的控制。
)
ki,e
(
U
bˆ
)
/(
1
k2 i ,e
)
Vi ViE ViU ViP ViG , Ve VeE VeU VeP VeG
这四种力驱动的电离层电流
j en(Vi Ve ) en[(ViE VeE )+(ViU VeU )+(ViP VeP )+(ViG VeG )] = jE jU jP jG
大约 100km 高度以上， ke ki 。根据纵向电导率 o 的表达式，电子
的作用是主要的，近似有， o enkeB 。
o 随高度升高指数地增大。
离子和电子对 P 的贡献分别在 ki =1 和 ke =1 的高度上最大， ki =1 的高度约 125km， ke =1 的高度约 75km。在 ki =1 和 ke =1 的高度， P 的离子和电子项
)1 [(
n n
Ti,e Ti,e
) ki ,e (
n n
Ti,e Ti,e
) bˆ ]
Vg i,e
Di,e H i,e
gˆ //
Di,e H i,e
(
1
k2 i ,e
)1( gˆ
ki ,e gˆ bˆ )
VU i,e
U//
U
/(
1
k2 i,e
JX
JY
( en
/
B
)
(
1
ki ki2
1
ke ke2
0,
),
J Z
(
1
ke2 ke2
ki2 1 ki2
),
0, ( ki ke ),
0,
(
1
ke2 ke2
(
1
ki ki2
0
ki2 1 ki2
ke 1 ke2
ViE bi E// (1 ki2 )1 [ bi E kibi E bˆ] 电场驱动的电离层电流为
j E en(ViE VeE )
代入电场驱动的电子和离子速度表达式得到
jE
ne B {( ke
ki
)E //
[
1
ki ki2
ke 1 ke2
] E
[
电离层电流密度
在电场、压强梯度、重力和风场驱动下，离子和电子的运动速度分别为
VE i,e
ki,e E//
/
B
(
1
k2 i ,e
)1( E
ki ,e E bˆ ) / B
VP i,e
Di,e ( // n
/
n // Ti,e
/
Ti,e
)
Di,e(1来自k2 i ,e
用矩阵形式表示
J
JX JY
Vi ,x en Vi ,y
Ve
,x
Ve ,y
P
0
0
0
H
0
E E
x y
JZ
Vi
,z
Ve ,z
H
0
P
Ez
把电子和离子运动速度表达式代入，整理后可以得到，
电离层物理与电波传播
电离层发电机理论
电离层发电机理论涉及电离层电导率的空间分布、电流和电场的产生 以及电离层发电机的驱动力。
在 E 层约 100 km 至 130km 的高度，佩德森电导率 P 和 Hall 电导率 H
有极大值，使 E 层成为良导电层。 白天，在低纬赤道区，大气潮汐驱动 E 层中的带电粒子在地磁场中作 切割磁力线运动，从而产生电场和电流。一般称这种机制为电离层发 电机或大气发电机。因为它位于 E 层，也称 E 层为发电机层。 夜间，E 层电导率降低，而 F 层依然有较高的电导率。在热层风驱动 下，F 层带电粒子在地磁场中作切割磁力线运动，从而也产生电场和 电流。形成夜间 F 层发电机。
1
ke2 ke2
ki2 1 ki2
] E bˆ }
中性风驱动的电离层电流
中性风驱动的电子和离子的运动速度为
VeU
keU
bˆ ke2 (U bˆ ) bˆ ( 1 ke2 )
U
ViU
kiU bˆ ki2 (U bˆ ) bˆ ( 1 ki2 )
Pedersen 电导率相比可以忽略不计，这个高度大约在 200km 以上。
对三种不同的电离层高度，Vi 和Ve 随外加电场变化的示意图
a) 离子-中性粒子和电子-中性粒子 碰撞频率的典型高度剖面 （ 6939N ,1856E ），作为比较还 显示了离子和电子的回旋频率；
b) 由图 a)导出的离子和电子迁移 系 数 （ ki i / in ,k e / en ） 的高度剖面；
用 P 和 H 表示这两个电导率，分别称作佩德森电导率
和霍尔电导率。
如果电场与磁场方向平行，那么，带电粒子在环绕磁力线回旋运动的 同时，引导中心沿磁场方向漂移。 在电离层中，电子磁旋频率（周期）约 1MHz( 106s ) ，离子磁旋频率（周 期）约 102 Hz( 102s ) 。在远大于磁旋周期的时间尺度上，可以不考虑绕 磁力线的回旋运动。 在纵向电场力作用下，引导中心的漂移速度为，
)(
ki 1 ki2
ke 1 ke2
)
H
( enB ) (
ke2 1 ke2
ki2 1 ki2
)
用磁旋频率和碰撞频率表示，三个电导率也可以写成，
0 ( enB ) ( i i e e )
p
( enB
)
[( i i
)(
1
i2
高度 70km
en
107 Hz
e
e / en
106 Hz
10 -1
地磁场和碰撞的影响，在平衡态，电场力驱动的带电
粒子运动方程为， qjn( E Vj B ) nmj jnVj 0 整理上式可以得到，
对于离子
Vi
bi E //
bi 1 ki2
E
ki bi 1 ki2
E bˆ ；
对于电子
Ve
be E //
be 1 ke2
E
电场驱动的电离层电流
假设满足电中性，且只有一种正离子，在电离层中给定的高度上，电流
密度为 j en(Vi Ve )，它的量纲是 A / m2 。 当存在磁场时，在极化电场的驱动下，电子和正离子的运动速度为
VeE be E// (1 ke2 )1 [ be E kebe E bˆ]
U
中性风驱动的电流为
j U en(ViU VeU )
en[(
ki
1
k
2 j
ke 1 ke2
)( U
bˆ
)(
ke2 1 ke2
ki2 1 ki2
)( U
bˆ ) bˆ ]
压强梯度力驱动的电流
当考虑压强梯度时，忽略温度梯度，电子和离子运动
速度分别为
Vi P
qj E// mj V jn // 0 Vj，// qj E// m j jn ，
式中下标 j i,e 分别表示电子和离子，Vj 表示电子或离子的漂移速度， m j 是电子或离子的质量， jn 是电子或离子与中性成分的碰撞频率。电 子和离子的电荷符号相反，它们沿磁力线在相反的方向上漂移运动。
) )
Ex Ey Ez
P
0
0 0
H 0
E E
x y
H
0
P
E
z
比较方程的左右两边不难得到，
0 ( enB ) ( ki ke )
p
( enB
，
ke2 1 ke2
ki2 1 ki2
1
ki2 1 ki2
1 1 ki2
，
近似有
p
ne B
ki ( 1 ki2
)
,
H
1 ki
p。
在较低的 E 区， ki 接近 1，Hall 电导率与 Pedersen 电导率大小可以比较。
但随高度增高，离子和电子的贡献相互抵消， Hall 电流迅速下降，与
)n bˆ
e(
De 1 ke2
Di 1 ki2
) n
重力驱动的电流
重力驱动的离子和电子运动速度
ViG
1
in
g //
1
in
( g ki g bˆ ) ( 1 ki2 )
VeG
1
en
g //
1
en
(
g ke g bˆ ) ( 1 ke2 )
ke be 1 ke2
E bˆ 。
选取一个坐标系，x轴指向磁东，y轴指向磁北，z轴垂
直向上。在磁赤道，bˆ ( 0 ,1,0 )，电场矢量有三个分量，
E
(Ex , E y , Ez ) ， E
( Ex ,0, Ez
)， E//
(0,Ey ,0 )
那么电流为
J J// J oE// P E H (E bˆ )
J E 用 E// 和 E 分别表示垂直于磁场的电场分量和平行 于磁场的电场分量，则 J // E// E // 和 分别称作纵向电导率和横向电导率。
一般情况下，电场同时存在平行和垂直于磁场的分量。 若存在垂直于磁场的电场或电场的分量，就会出现垂直 于磁场的等离子体运动和电流。 垂直于磁场的电流可能出现在两个方向，这两个方向都 垂直于磁场，但一个平行于电场，称作佩德森(Pedersen) 电流，另一个垂直于电场，称作霍尔(Hall)电流。 此时，需要定义两个横向电导率，分别对应这两个电流。
纵向电场 E// 驱动的沿磁场方向电子和离子的漂移速度分别为，
Vi,// eE// mi in
Ve,// eE// me en ，
电子和离子电流方向相反，总电流是离子电流和电子电流相加。
考虑到电中性， ni ne n ，因此得到，
J// en(Vi // Ve // ) en( emiin emeen )E// 用 bi 和 be 分别表示离子和电子的迁移率，它们定义为
重力驱动的电流
jG
1 en(
in
1
en
)g //
+en[
in (
ki 1
ki2
)
en (
ke 1
ke2
)
]g
en[
in (
ki2 1
ki2
)
ke2
en ( 1
ke2
)
]g bˆ
电离层电导率
在各向同性介质中，电导率是一个标量，它定义为电 流密度与电场强度之比例系数， J E 由于地磁场对带电粒子运动的影响，电离层成为各向 异性介质。在各向异性介质中，电导率是一个张量
2 i
)1
( e e
)(
1
e2
2 e
)1
]
H
( enB ) [( e e
)2
(
1
e2
2 e
)1
( i i
)2
(
1
i2
2 i
)1 ]
可以看出，电导率正比于电子密度、反比于磁通量密度，并且和磁旋
频率与碰撞频率之比 k j 有关。
因为电子密度 n 和 k j 都显著地随高度变化，所以电导率也随高度变化。
Di
// n n
Di 1 ki2
(
n n
ki
n bˆ n
)，
VeP
De
// n n
De 1 ke2
(
n n
ke
n n
bˆ ) ，式中 bˆ
BB
。
压强梯度驱动的电流
jP
e( Di
De
)
//
n
e(
ki Di 1 ki2
ke De 1 ke2 e
bi emi in ， be e me e n 这样， J/ / e n ( bi be )，E/ / 与 J / / /E/ 比/ / 较，得到 / / e n ( bi be )
// 称作纵向电导率或平行电导率， // 有时也用 o 表示。
一般情况下，同时存在纵向和横向电场分量，考虑
取值分别为 0.5en / B 。
电子对 P 的贡献最大在 D 区，即 100km 以下。在更高的高度以上，离子的
贡献是主要的。
在
E
区以上的高度， ke >>ki
1，1
ke2
ke2
， ke1
1 ， ke1
k
1 i
，
ki 1 ki2
ke 1 ke2
ki 1 ki2