Jonosfärisk dynamoregion
I höjdområdet mellan cirka 85 och 200 km höjd på jorden är det jonosfäriska plasmat elektriskt ledande. Atmosfäriska tidvattenvindar på grund av differentiell solvärme eller på grund av gravitationell månkraft flyttar jonosfäriska plasman mot de geomagnetiska fältlinjerna och genererar därmed elektriska fält och strömmar precis som en dynamospole som rör sig mot magnetfältslinjer. Den regionen kallas därför jonosfärisk dynamoregion . Den magnetiska manifestationen av dessa elektriska strömmar på marken kan observeras under magnetosfäriska tysta förhållanden. De kallas Sq-variationer (S=sol; q=tyst) och L-variationer (L=mån) av det geomagnetiska fältet. Ytterligare elektriska strömmar genereras av det varierande magnetosfäriska elektriska konvektionsfältet . Dessa är DP1-strömmarna (norrande elektrojetstrålar) och de polära DP2-strömmarna. Slutligen har en polär ringström härletts från observationerna som beror på polariteten hos det interplanetära magnetfältet . Dessa geomagnetiska variationer tillhör den så kallade yttre delen av det geomagnetiska fältet . Deras amplituder når som mest cirka 1 % av det huvudsakliga interna geomagnetiska fältet Bo .
Atmosfärisk elektrisk ledningsförmåga
Radioaktivt material från marken och galaktiska kosmiska strålar joniserar en liten del av den atmosfäriska gasen i den nedre och mellersta atmosfären och gör gasen elektriskt ledande. Elektroner fäster snabbt till neutrala partiklar och bildar negativa joner. De positiva jonerna är för det mesta enkelladdade. Den elektriska ledningsförmågan beror på jonernas rörlighet. Den rörligheten är proportionell mot den reciproka luftdensiteten. Således ökar den elektriska ledningsförmågan nästan exponentiellt med höjden. Jonerna rör sig med den neutrala gasen vilket gör konduktiviteten isotropisk .
absorberas emellertid -dynamoregionen-, sol-X- och extrem ultraviolett strålning (XUV) nästan helt och genererar de jonosfäriska D-, E- och F-skikten. Här är elektronerna redan bundna till det geomagnetiska fältet som rör sig flera gånger runt dessa linjer innan de kolliderar med neutralerna, medan de positiva jonerna fortfarande i huvudsak rör sig med den neutrala gasen. Således blir den elektriska ledningsförmågan anisotropisk . Konduktiviteten parallellt med ett elektriskt fält E kallas Pedersen- konduktivitet. Konduktiviteten ortogonal mot E och det geomagnetiska fältet Bo är Hall - konduktiviteten . Ohmiska förluster och därmed Joule- uppvärmning uppstår när Pedersen-strömmar flyter. Komponenten parallell med B o ökar fortfarande med höjden. Nära den geomagnetiska dip-ekvatorn genererar ett väst-östriktat elektriskt fält vertikala Hall-strömmar som inte kan stängas. Därför byggs ett vertikalt polarisationsfält upp och genererar en horisontell Hall-ström som adderas till Pedersen-strömmen. Sådan förbättring beskrivs av Cowling -konduktiviteten. Pedersen och Halls konduktivitet når maximala värden nära 120 till 140 km höjder med tal på cirka 1 mS/m under solbelysta förhållanden. Under natten kan dessa siffror minska med en faktor tio eller mer. Värdena för dessa konduktiviteter beror på lokal tid, latitud, säsong och 11-års solcykel. De höjdintegrerade konduktiviteterna blir av storleksordningen 50 S, eller en total resistans för dynamoområdet på cirka 1/50 = 0,02 Ohm under dagtid.
I norrskensregionerna som ligger mellan cirka 15° och 20° geomagnetisk samlatitud och motsvarande breddgrader på södra halvklotet, joniserar utfällande högenergipartiklar från magnetosfären den neutrala gasen, särskilt på höjder runt 110 till 120 km, och ökar den elektriska ledningsförmågan väsentligen. Under magnetosfäriska störda förhållanden blir denna konduktivitetsförbättring mycket större, och norrskensregionerna rör sig mot ekvatorn.
På höjder över cirka 200 km blir kollisioner mellan neutrala och plasma sällsynta så att både joner och elektroner bara kan gyra runt de geomagnetiska kraftlinjerna, eller driva ortogonalt mot E och B o . Den parallella konduktiviteten är så stor att de geomagnetiska kraftlinjerna blir elektriska potentiallinjer, och endast elektriska fält som är vinkelräta mot B o kan existera (se magnetosfären ).
Atmosfäriska tidvatten
Atmosfäriska tidvatten är vågor i global skala som exciteras av regelbunden soluppvärmning (termisk tidvatten) eller av månens gravitationella tidvattenkraft (gravitationstidvatten). Atmosfären beter sig som en enorm vågledare stängd i botten (jordytan) och öppen mot rymden på toppen. I en sådan vågledare kan ett oändligt antal atmosfäriska vågmoder exciteras. Eftersom vågledaren är ofullkomlig kan dock endast moder av lägsta grad med stora horisontella och vertikala skalor utvecklas tillräckligt väl så att de kan filtreras bort från det meteorologiska bruset. De är lösningar av Laplace -ekvationen och kallas Hough-funktioner . Dessa kan approximeras av en summa av sfäriska övertoner .
Det finns två typer av våglägen: klass 1-vågor (kallas ibland gravitationsvågor) och klass 2-vågor (rotationsvågor). Klass 2-vågor har sin existens på grund av Coriolis-effekten och kan bara existera under perioder som är längre än 12 timmar. Tidvattenvågor kan vara antingen interna (vandringsvågor) med positiva egenvärden (eller motsvarande djup) som har ändliga vertikala våglängder och kan transportera vågenergi uppåt, eller externa (evanescenta vågor) med negativa egenvärden och oändligt stora vertikala våglängder vilket innebär att deras faser förblir konstanta med höjd. Dessa externa våglägen kan inte transportera vågenergi, och deras amplituder minskar exponentiellt med höjden utanför deras källområden. Varje läge kännetecknas av fyra tal: zonvågsnumret n, positivt för klass 1-vågor och negativt för klass 2-vågor (deras meridionalstrukturer blir allt mer komplexa med ökande antal n), ett meridionalvågnummer m, egenvärdet och perioden , i vårt fall en sol- eller måndag, respektive. Lägena är märkta som (m, n). Jämna nummer av n motsvarar vågor som är symmetriska med avseende på ekvatorn, och udda tal som motsvarar antisymmetriska vågor.
Vid termosfäriska höjder blir förlusten av atmosfäriska vågor betydande så att vid över cirka 150 km höjd blir alla våglägen gradvis externa vågor, och Hough- funktionerna urartar till sfäriska övertoner ; t.ex. mod (1, -2) utvecklas till den sfäriska övertonen P 1 1 (θ), mod (2, 2) blir P 2 2 (θ), med θ samlatituden, etc.
Migrerande soltidvatten
Det grundläggande solar dygnets tidvattenläge som optimalt matchar solvärmetillförselkonfigurationen och därför är starkast exciterat är (1, -2) - läget. Det beror på lokal tid och reser västerut med solen. Det är ett externt läge av klass 2. Dess maximala tryckamplitud på marken är cirka 60 hPa. Inom termosfären blir det dock det dominerande läget, och når temperaturamplituder vid exosfären på minst 140 K och horisontella vindar av storleksordningen 100 m/s och mer som ökar med geomagnetisk aktivitet. Den största solvågen i halvtid är mod (2, 2) med maximala tryckamplituder nära marken på 120 hPa. Det är en intern klass 1-våg. Dess amplitud ökar med höjden. Även om dess solexcitation är hälften av den för mod (1, -2), är dess amplitud på marken större med en faktor två. Detta indikerar effekten av undertryckande av externa vågor, i detta fall med en faktor fyra.
Halvdagliga måntidvatten
Den dominerande migrerande månens tidvatten är (2, 2) läget beroende på lokal tid på månen . Dess maximala tryckamplitud nära marken är 6 Pa, vilket är långt under det meteorologiska bullret. Därför är det inte enkelt att upptäcka en så liten signal. Eftersom det är en inre våg, ökar dess amplitud med höjden och når värden på 100 km höjd två storleksordningar större än på marken.
Elektriska strömmar
Sq-ström
Morfologi
Mer än 100 geomagnetiska observatorier runt om i världen mäter regelbundet variationerna i jordens magnetfält . De dagliga variationerna under utvalda dagar av tyst geomagnetisk aktivitet används för att bestämma ett månadsmedelvärde. Från den horisontella komponenten ΔH av sådana data kan man härleda ett motsvarande överliggande ekvivalent elektriskt arkströmsystem vid dynamoskiktets hållfasthetshöjder
J = 2 AH/μ = 1,6 AH
med J (i milliAmpere/meter) den elektriska överliggande arkströmmen, ΔH (i nanoTesla) den observerade horisontella komponenten av den geomagnetiska variationen och μ den elektriska permeabiliteten för fritt utrymme. Man kan bestämma magnetfältets riktning med hänsyn till strömmen genom den enkla tumregeln: om högerhands tumme pekar i strömriktningen, ger de krökta fingrarna riktningen för det tillhörande magnetfältet.
Man måste ta hänsyn till att detta förhållande inte är unikt. I allmänhet är elektriska strömmar inom jonosfären och magnetosfären tredimensionella, och ett oändligt antal strömkonfigurationer passar de geomagnetiska variationerna som observeras på marken. Magnetiska mätningar i rymden är nödvändiga för att få en realistisk bild.
Figur 1a visar strömlinjer för en ekvivalent Sq-ström sett från solen vid middagstid. Denna nuvarande konfiguration är fixerad till solen, medan jorden roterar under den. En total ström på cirka 140 kA flyter inom en dagvirvel. Den roterande Sq-strömmen och den elektriskt ledande jordens inre uppför sig som en enorm transformator med dynamoområdet som primärlindning och jorden som sekundärlindning. Eftersom Sq-strömmen varierar med grundperioden på en dag, induceras elektriska strömmar i jordens inre. Magnetfältet för denna sekundära ström överlagras på magnetfältet för den primära Sq-strömmen. Metoder för att separera båda komponenterna går tillbaka till Gauss . Amplituden för sekundärströmmen är ungefär 1/3 av primärströmmens amplitud och är något förskjuten i fas. Figur Ib visar den sekundära komponenten. Förhållandet mellan plåtström och magnetisk komponent som ges ovan har nu helt enkelt värdet ett.
Sq-strömmen beror på säsong. Sommarvirveln intensifieras jämfört med vintervirveln och når in på vinterhalvklotet . Ett longitudinellt beroende av Sq-strömmen finns som är relaterat till den lutande dipolkomponenten i det interna magnetfältet, men troligen också till icke-migrerande tidvattenvågor underifrån. Under den 11-åriga solcykeln ökar amplituden på Sq med en faktor på mer än två från solfläcksminimum till solfläckmaximum. Två tredjedelar av denna ökning kan bero på förbättringen av den elektriska ledningsförmågan med solaktivitet. Resten beror troligen på ökningen av vindhastigheten orsakad av temperaturökningen med ökande solaktivitet. Under natten minskar elektrontätheten i det jonosfäriska E-skiktet mycket kraftigare än i F-skiktet . Därför skiftar dynamoområdets höjdcentrum uppåt.
Den huvudsakliga drivkraften för Sq-strömmen är det externa (1, -2) flodvågsläget. På grund av sin konstanta fas med höjden, är den mest effektiv för att driva koherenta vindar på dynamolagerhöjd, medan strömmarna som genereras av de interna lägena stör destruktivt på olika höjder. En Fourier-analys visar en halvdaglig komponent med en amplitud på 1/2 av den för dygnskomponenten, fasförskjuten med 180°. Detta verkar vara resultatet av olinjär koppling mellan produkten av den dygnsvarierande vinden och den dygnsvarierande konduktiviteten. Dagvirvlarnas centra visar en dag till dag variation. Detta kan hänföras till de interna tidvattenlägen som är känsliga för de varierande meteorologiska förhållandena i den nedre och i mellanatmosfären, delvis också för solaktivitet.
Nära dip-ekvatorn (där de geomagnetiska fältlinjerna är horisontella) kan ett starkt band av österutgående strömmar observeras i ett intervall av cirka 150 km från ekvatorn. Sådan förbättring av Sq-strömmen med en faktor på cirka fyra beror på kåpans konduktivitet. Under ett solutbrott når solstrålningen från omgivningen av en aktiv solfläck den högre atmosfären, huvudsakligen på E- och D-skiktshöjder, som varar högst i en timme . Den elektriska ledningsförmågan ökar och Sq-strömmen ökar på halvklotet under dagtid. En liten ökning sker, kallad geomagnetisk solflosseffekt eller virkning. Under en solförmörkelse minskar den elektriska ledningsförmågan i skuggområdet, och Sq-strömmen och därmed Sq-variationen minskar med några nT i det området. Det kallas en geomagnetisk solförmörkelseeffekt. Båda händelserna kan endast observeras under tyst geomagnetisk aktivitet.
I efterdyningarna av starka magnetosfäriska störningar utvecklas ett strömsystem till en kvasi-anti-Sq-ström. Den genereras av Joule-uppvärmning i den polära termosfären . Detta nuvarande system kallas Ddyn.
Teori
För att kvantitativt bestämma dynamoverkan av den neutrala vinden U , börjar man med vindens horisontella momentumekvation tillsammans med en ekvation för vindens divergens. Momentumekvationen balanserar tröghetskraften, Corioliskraften och den horisontella tryckgradienten p. Dessutom kopplar Amperekraften J x B o den elektriska strömtätheten j till vind- och trycksystemet. Det ekvivalenta djupet h (egenvärdet för tidvattenläget) bestämmer vindens divergens. Den elektriska strömmen måste följa Ohms lag. Ett elektriskt polariseringsfält E genereras genom laddningsseparation för att framtvinga villkoret att inga källor och sjunker av strömmen. Återkoppling mellan vind och elektrisk ström sker via Lorentzkraften U x B . Vanligtvis betraktas den elektriska konduktivitetstensorn σ som en given datamängd, och en höjdintegrerad konduktivitetstensor Σ och en höjdintegrerad arkström J appliceras.
I konventionella modeller försummas Amperekraften. Detta betyder att grind B i figur 2 är öppen. Detta kallas en kinematisk dynamo. Modeller med stängd grind B kallas hydromagnetiska dynamos. Inverkan av den inbördes kopplingen mellan vind och ström kan omedelbart ses om man beaktar en oändligt stor elektrisk konduktivitet σ. I den kinematiska modellen skulle den elektriska strömmen bli oändligt stor, medan vindamplituden förblir konstant. I den hydromagnetiska modellen når strömmen en övre gräns, liknande en teknisk dynamo under kortslutning, medan vindamplituden bryts ner till en bråkdel av sitt ursprungliga värde. Laddningsseparation fungerar som en självimpedans som förhindrar strömmen att bli oändligt stor.
L-ström
Månströmmar (L) är svagare med en faktor på cirka 20 än Sq-strömmarna. Den dominerande vindkomponenten för att driva dessa strömmar är (2, 2) tidvattenläget. L-strömmen har liknande form som Sq-strömmen, med skillnaden att fyra virvlar istället för två går ut. I varje virvel flyter en total ström på cirka 4 kA. Säsongsvariationen av L liknar den för Sq. Under solbelysta timmar förstärks L kraftigt, medan det närmar sig noll under natten. Således uppvisar L-strömmen dessutom en modulering beroende på månfasen. Den geomagnetiska effekten av L-strömmen kan bäst ses nära dip-ekvatorn där Cowling -konduktiviteten kraftigt förstärker den strömmen.
DP1-ström
Interaktion mellan solvindplasma och det polära geomagnetiska fältet producerar ett magnetosfäriskt elektriskt konvektionsfält i global skala riktat från gryning till skymning med en potentialskillnad på cirka 15 kV under tysta magnetosfäriska förhållanden, vilket ökar avsevärt under störda förhållanden. Laddningsseparationen sker vid magnetopausen . Detta område är kopplat till det jonosfäriska dynamoområdet via de första öppna geomagnetiska fältlinjerna med en fotpunkt inom norrskensregionerna. Således kan elektriska urladdningsströmmar flyta via fältinriktade strömmar som två små band inom norrskenszonens dynamolagret, på dagtid såväl som på natthalvklotet. Dessa strömmar kallas DP1-ström eller norrskenselektrojetstrålar. Deras storlek är i storleksordningen Mega Ampere. Ohmiska förluster och därmed Joule-uppvärmning av dessa strömmar är jämförbar med den som beror på solenergins XUV-värmetillförsel inom mellan- och lägre breddgrader under tysta förhållanden och mycket större under störda förhållanden. Därför dominerar det jonosfäriska och termosfäriska dynamik och orsakar jonosfäriska och termosfäriska stormar
DP2-ström
Det magnetosfäriska elektriska konvektionsfältet driver en tvåcellsström i den polära koppen med deras virvlar belägna på morgon- och kvällssidan. Det kallas DP2-ström. Den strömmen existerar redan under tysta förhållanden (Sqp) och förstärks under störda förhållanden . Den består huvudsakligen av elektriska Hallströmmar.
Polar-ringström
Om den azimutala komponenten i det interplanetära magnetfältet (IMF) är riktad mot skymningen, bromsas den magnetosfäriska plasman ner i den norra polarmössan och accelereras i den södra polarmössan. Om den azimutala komponenten i IMF är riktad mot gryningen är situationen den omvända. Denna avvikelse från samrotation försvinner på lägre breddgrader. Den magnetiska effekten på marken inom de polära områdena motsvarar en jonosfärisk Hall-ström på cirka 10 o polärt avstånd som omger de magnetiska polerna medurs sett av en observatör som står på marken under interplanetära sektorer med fält som pekar bort från solen, och i moturs riktning under mot-sektorpolaritet
Vidare läsning
- MC Kelly (2009). Jordens jonosfär: Plasmafysik och elektrodynamik . Akademic press, New York.
- G. Proelss och MK Bird (2010). Fysik i jordens rymdmiljö: en introduktion . Springer, Berlin.
- A. Brekke (2013). Fysik i den övre polära atmosfären . Springer, Berlin.
externa länkar
-
Media relaterade till den jonosfäriska dynamoregionen på Wikimedia Commons
