Лекция 8: Глобальные плазменные и электромагнитные структуры в ионосфере

§1. Очерк о теории вмороженности магнитного поля в плазму.

Преобразование Лоренца ЭМ полей x y z x'x' y'y' z'z' V (ибо практически E

И только таким путём мы приходим к желанному соотношению Закон Ома в движущейся среде Перейдём в «штрихованную» систему отсчёта, в которой проводник (или отдельный его участок) в данный момент времени покоится. Закон Ома гласит: В нерелятивистском пределе (с точностью до членов ~ V 2 /c 2 ): Это не само собой разумеется! Теперь утверждение: Как ограничение на время установления силового баланса Как здесь трактовать Время релаксации: Бесстолкновительная замагниченная плазма в э. поле В этом случае все заряды совершают поперечный дрейф с одинаковой скоростью: Во-вторых, в силу

Замечание Замечание. Закон Ома и все рассуждения вокруг него относятся к току проводимости. Полный же ток может содержать «сторонние» поперечные компоненты: В таких условиях (или в таких областях космической плазмы) факторы нарушения вмороженности магнитного поля Квазимагнитостатическое приближение: –условие годности кв.-м.-ст. приближения (опять же в отсутствие сторонних токов). В этом приближении теряется информация о потенциальной составляющей электрического поля и плотности заряда в плазме. Вот всё что можно сказать: Приблизительно равно нулю… В этом «приблизительно» и прячется заряд.

Теорема вмороженности Если по любым причинам Сие есть выдающееся уравнение вмороженности, известное ещё классикам. Проведём в жидкости замкнутый контур. Будем рассматривать его как «жидкий», т.е. как составленный из находящихся на нём частиц и движущийся вместе с ними. Тогда покрутив уравнение вмороженности можно доказать (см. дополнение), что S V B – поток магнитного поля через жидкий контур сохраняется. Отсюда потрясные следствия: 1) Векторная поверхность переходит в векторную поверхность 2) Векторная трубка переходит в трубку 3) Векторная линия – в линию то автоматически получается то, что называется «вмороженностью»!

Динамические теоремы Гельмгольца Первая теорема: частицы жидкости, образующие в некоторый момент времени силовую поверхность, трубку или линию, во всё время движения образуют соответственно силовую поверхность, трубку или линию. Вторая теорема: интенсивность силовой трубки (в нашем случае – магнитный поток) во всё время движения остаётся постоянной, т.е. Коротация магнитного поля Если вращать магнит, то будет ли вращаться его магнитное поле? И в каком смысле? (Да. В смысле, что появится поперечная компонента электрического поля) B V I E Эксперимент с униполярной индукцией – обе ситуации эквивалентны Нет разницы – вращается проводник в магнитном поле или вращается сам магнит Электрическое поле коротации: 1) B V I E 2)

§2. Плазмосфера.

Т.о., магнитное поле Земли коротирует вместе с Землёй. В экваториальной ионосфере: Очевидное - невероятное Однако, магнитное поле порождается не только земными, но и космическими источниками. Отметим: ближние области околоземного космоса проецируются вдоль магнитных силовых линий в низкие широты, дальние зоны в высокие. Поэтому электрические поля от магнитосферных источников и солнечного ветра «играют» в полярных шапках. Доминирование внешнего магнитного поля происходит на магнитных далее поверхностях L ~ 4 (чему соответствует широта ~ 60 ). Так образуется плазмосфера. Плазмосфера суть область коротирующей плазмы. Имеет форму бублика внутри магнитной оболочкой L ~ 4. В экваториальной плоскости на плазмопаузе скорость коротации V ~ 4 км/с

Плазмопауза (перекошена по Леонтьеву) Внутри плазмосферы: магнитные силовые трубки коротируют с Землёй. Магнитосферная плазма находится в равновесии с подстилающей атмосферой. Днём плазмосфера пополняется плазмой, ночью опустошается, поддерживая существование ночной ионосферы. Вне плазмосферы: магнитные силовые трубки «не синхронны» с атмосферой. Во- вторых, поскольку это высокие широты, силовые трубки здесь сравнительно велики, а в полярных шапках даже разомкнуты. Плазма уходит вверх, и оттуда не возвращается!

§3. Конвекция в полярных шапках. Метеоролог бы сказал – адвекция. А точнее – горизонтальная циркуляция

Мы смотрим на картинку магнитосферы и думаем, что она статична. Это не так! Структура магнитосферы не сбалансирована динамически. B I F ~ IB Плазма магнитосферы циркулирует вместе с вмороженным магнитным полем. Это называется м.-сферной конвекцией. Линии конвекции в экваториальном сечении плазмосфера Отметим: Плазмосфера в конвекции не участвует, она занята, у неё коротация В дальних зонах магнитосферы конвекция плазмы антисолнечная В ближних зонах – в направлении к Солнцу И это качественная картинка. Реально сильно зависит от ММП и с. ветра.

Движение ионосферной плазмы в полярных шапках зеркально отражает магнитосферную конвекцию. Полярная конвекция не привязана к вращающейся Земле, привязана к Солнцу, а следовательно относительно «неподвижной» Земли поле скоростей исказится (по сравнению с тем, что на рисунке)! В области 60 градусов широты имеет место соприкосновение с циркуляцией коротации. Получается точка бифуркации течения S. А вот как это проецируется на ионосферу

Структура полярной конвекции Типичные параметры: Дрейф плазмы направлен вдоль эквипотенциальных линий: Дрейф плазмы – соленоидальный: Система продольных токов Существует два примерно концентрических токовых круга, внутри которых продольные магнитосферные токи (токи Биркеланда) втекают/вытекают в ионосферу. Перепад электрического потенциала поперёк полярной шапки ~ 60 кВ

Картина конвекции – сильно зависит от ММП А вот ход электрического потенциала

§4. Экваториальный электроджет.

Дрейф ионосферной плазмы на высотах F- области (где плазма замагничена) является индикатором поперечного электрического поля. В системе СИ: [E] = В/м, [В] = Тл, [V] = м/с, В экваториальной ионосфере В полярной ионосфере Сие есть вертикальный дрейф экваториальной плазмы в области h max F2 Терминатор, получается, заряжен В экваториальной ионосфере магнитное поле направлено горизонтально, на север.

Горизонтальное электрическое поле порождает холовский вертикальный ток. Вот только течь ему некуда. Введём систему координат, в которой ось OZ направлена вверх, OX на восток (зонально), магниное поле направлено вдоль OY на север. Тогда где – проводимость Каулинга (Cowling) Т.о., формируется узкий «сверхпроводящий» слой, где В нём экваториальный электроджет.

§5. Sq-вариация магнитного поля. Solar quite

Sq токовая система – это динамо-эффект от солнечного прилива. Вертикальная вариация магнитного поля

§6. Экваториальная аномалия.

Фонтан-эффект Критическая частота f 0 F2

The end