地球空间电场2014分析

❖ 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。
高速向外膨胀，在地球上看，太阳风中的电场
为，
Esw Vsw Bsw ，
如右图所示，当太阳风磁场有南向分量时，太
阳风电场将有一个从晨侧指向昏侧的分量。沿
磁力线映射到电离层，在极盖区电离层中建立
晨昏电场 EI 。
现在讨论磁力线闭合区域的对流电场和场向电流。
左图显示磁层对流电场 Em 如何投影
到电离层。在这个链路中，电离层
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。
➢ 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。
对流电场与太阳风速度V 和地磁 K p 指数之间的经验关系为
Eo 3.63 (V / 533 )2 kV / RE Eo 4.5 10-4 ( 1 0.1K p ) V/ m
外磁层开放磁力线区，逆太阳方向的对流运动等价于晨侧到昏侧横穿磁层的对流电 场，其强度为 0.3mV/m，总电压降为 60kV。 外磁层闭合磁力线区朝向太阳的对流运动等价于昏侧到晨侧的对流电场。 在等离子体层顶，电场强度约 1mV/m，那里对流电场和共转电场相等。 在内磁层中，共转电场和对流电场共同作用于带电粒子。有两个可分开的区域：一 个是接近地球的闭等位线区，称为等离子体层，以共转电场为主；另一个在等离子 体层顶之外，以对流电场为主。
➢ 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。
电流密度 j 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， j E ，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。 下面主要讨论电场强度、电流密度和电导率的有关性质。
B
/
t
0使
E
0
，因此，
E
为静电场，存在
•
位势， E V B
上式表明，等离子体漂移速度V
与磁场
B
均在等位面内，而电场沿
等位面的法线方向。
❖ 磁层中的大尺度电场
• 磁层晨昏子午面内静态大尺度电场。
实线：晨昏子午面内磁力线投影；点线：电场力线； 虚线：磁赤道面内的等电势线。
❖ 地球空间的对流电场
地球空间电场2014分析
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
❖ 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。
黎明指向黄昏的电场，通常称作晨昏电场。其值为，ET V B / B2 ， 因为这一电场驱动着电离层和磁层等离子体的对流运动，通常称作
对流电场。
对流电场的大小随太阳风的速度和行星际磁场的变化而变化。 在磁静日和磁扰日，对流电场分别可取为，
Eo (静日) 0.4mV / m 2.6 kV / RE Eo (扰日) 1.0mV / m 6.4 kV / RE
➢ 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： 1、按照泊松方程， E / o ，积累的电荷能产生静电场或势场。电荷
为了理解对流电场如何生成，需要考虑电离层-磁层-太阳风组成的耦合系 统。在这个耦合系统中，电动势在磁层顶由太阳风-磁层相互作用产生， 电离层是负载。
电离层中的磁力线穿过磁层直接与南向行星际磁场(IMF)的磁力线相连 接，这些只有一端在地球的开放磁力线定义了极盖区。
因为太阳风等离子体是无碰撞的，并且从太阳
❖ 地球空间的映射电场
映射电场与磁力线垂直。讨论映射电场时，需要假定磁场力线是 等电位线，没有平行于磁力线方向的电场。 这样，在空间的一处如果有与磁力线垂直的电场存在，这个电场 就可以沿着磁力线向上或向下映射到遥远的另一处。 显然，电场映射的假设条件与场向电场的存在是不自洽的。这种 不一致在极光带最突出。在极光带，场向电场的存在是产生极光 很重要的源。由于在极光带可能存在场向电场，电场沿磁力线映 射是不充分的。 对于同时运行在不同高度的某些卫星，比如 DE-1 和 DE-2 卫星， 有时两颗卫星的轨道会处在同一根磁力线上。因此，其电场测量 数据对研究场向电场和映射电场都很有用。
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， E B / t 。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。
❖ 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。
❖ 同步卫星轨道空间中的极化电场
在同步卫星轨道空间中，粒子碰撞很少，带电粒子的运动主要受电
磁力的控制，V E B / B2
忽略场向电场，可以得到，V B E 0
其物理意义是，运动可以使洛仑兹力 qV B 和极化电场力 qE 抵消。
等离子体漂移速度的测量和电场的测量是等效的。
在麦克斯韦方程中，
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。
太阳风压缩地球磁场将引起地磁场的时间变化。有研究者计算了这个 过程生成的感应电场。计算中考虑磁层顶运动速度 20～60km/s，则磁 尾区会产生 0.6～2mV/m 的感应电场。当磁层顶向地球压缩运动时，产 生的感应电场指向西。 昼侧磁层顶电流所产生的感应电场值比磁尾更大，并且有很大的径向 分量。 磁层亚暴时，越尾电流发生变化，也生成感应电场。 采用环电流和磁尾模型相结合的模型，所得到的大尺度感应电场为 1mV / m 量级。 亚暴膨胀相期间，伴随偶极化过程，更多地磁力线变成偶极场形态， 导致磁尾电流减小时，产生的感应电场指向西。
在磁层中等离子体的纵向电导率为无穷大，因而磁力线可以看作
等势线。
在磁层顶，横跨那些开放磁力线的电动势，通过磁力线向下映射，
达到极盖区电离层。
在
极
盖
区
电
离
层
，
也
将
产
生
一
个
从
晨
侧
指
向
昏
侧
的
电
场
E
I
，
这
个
电场驱动极盖区 F 层等离子体对流，流动方向背离太阳，速度大小为，
VI
EI
BI
/
B
2 I
，
由于磁尾中的磁力线也是由极盖区发出的，所以在磁尾中也存在由
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。
不只是一个被动的介质，磁层中的
某些热等离子体可以沿力线运动并
撞击大气层，产生数量可观的电离。
这一粒子沉降过程引起离散与扩散
极光带通量管上电场和磁场三维图示 极光以及气晖，并对无日照的电离
层的电导率起着主导的作用。
来自百度文库
注意，电场投影时，其符号要改变。电离层极光带中的电场
Ea
是昏-晨指
向的，与极盖区内的电场方向相反。
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 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， E ，单位是 V/m。
•
在北半球电离层• 高度，弱扰动条件下，从北向下俯视的对流电场等位线图
•
•
模型给出的赤道面内电场等势线
•
赤道平面内磁层对流的观测结果。
流•线也表示等电位面与赤道平面的交线。
❖ 地球空间的感应电场
根据电磁感应定律， E B / t
凡存在时变磁场的地方就会出现有旋电场。这种电场称为感应电场。 由于电流产生磁场，因此时变电流也能产生感应电场。 在地球空间中，有多种大尺度电流系统。这些电流随时间的变化都可以产生 感应电场。比如，在磁暴主相期间环电流增强/衰落，这种环电流的时间变 化能产生感应电场，另外，场向电流强度的变化也能产生感应电场。 磁亚暴是地球空间磁场随时间发生剧烈变化的事件，它也能生成感应电场。 在磁壳 L=7.5 的距离上，低纬度的磁尾区，在磁亚暴开始时曾观测到 30mV/m 峰值的西向脉冲电场，就是这种感应电场。这种强脉冲电场的出现时间尺度 很短，只有几十毫秒到几十秒。