地磁学61101114.pptVIP

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 2. 第二绝热不变量——纵向不变量 带电粒子在磁镜中的反弹运动是另一种周期运动 3. 第三绝热不变量——周向（磁通量?）不变量 带电粒子梯度-曲率漂移具有环绕地球的周向漂移，其不变量为漂移表面所包围的总磁通量不变，即： 粒子在磁镜中沿磁场运动时，磁矩也保持不变 §6.2 磁流体中的电流 磁场中带电粒子运动的两种主要形式—— 回旋运动 漂移运动 在各种漂移运动中， 有的正负粒子以相同速度一起漂移，没有宏观电流（如电场漂移）； 有的正负粒子的速度大小和(或)方向不同，于是产生了宏观电流（如重力漂移、梯度漂移、曲率漂移等）。 不产生宏观电流 可能产生宏观电流 等离子体电流的一般物理概念 第 种粒子的电流密度 通过面元 dS 的电流 积分上式， 得通过S面的电流 对各种粒子求和 得总电流 电荷和电流遵循电荷守恒定律 如果体积固定 电荷守恒定律（微分形式） 定常情况 空间电流的直接测量 从原理上讲，空间电流可用粒子探测器直接测量。 可测量量 直接测量难： 1、没有带电粒子的完整谱 2、卫星表面带电 空间电流的间接测量（用磁场） 在缓变电磁场的情况下，位移电流可以忽略，所以有 如在研究场向电流时，取 z 沿着场线的方向，y垂直于磁正午向东为正，x 完成右手系时那么场向电流密度为： 空间电流直接测量和间接测量比较 二.各向同性压力磁流体中的电流 考虑一种离子和电子组成的磁流体介质（单流体），忽略重力和碰撞，粒子的动量方程为： 定义流体质量密度、流体速度、流体总压力、总电流 假定 总质量 总动量 将电子和离子动量方程相加，得单流体MHD动量方程 来源于压力梯度（抗磁电流） 来源于加速度（惯性电流，极化电流） 垂直于磁场的电流为 抗磁电流特点：即使流体静止，它依然存在： 在静态条件下，无论MHD流体的几何结构多么复杂，电流与磁场均与压力梯度垂直，即二者必须位于等压面上 等压面亦即磁面和电流面 。 注意：这里的压力是指气压，所以等气压面上的磁压不等于常数！ 磁流体的总压力为流体的压力加上磁压，其梯度伴随着磁场的梯度和曲率，引起粒子的梯度和曲率漂移，并产生抗磁电流。 磁压 沿磁场方向的应力张量 总压力梯度与沿磁场方向的应力张量平衡 如果 τ 是//等气压面的单位矢量，那么 ，由此可得：在等气压面上磁压梯度与沿磁场方向的张力是相平衡的，即 单粒子运动产生抗磁电流的定性解释 磁力线为垂直向外直线；磁场只随Y 变化 P～n 效果：阻止磁场向弱的区域扩散，所以称为抗磁电流。 对上述的过程进行定量分析可得该抗磁漂移速度为： 此外，还可证明从粒子概念得到的抗磁电流表达式与用磁流体力学得到的相同，这说明单粒子一起作用等价于流体。 三.各向异性压力磁流体中的电流 当考虑流体压力的各向异性时，压力用张量表示，电子流体和离子流体的运动方程为 定义流体速度 压力张量的一般表达式 压力张量主分量表示 并可分解为 带入动量方程，并整理可得 四.考虑碰撞时磁流体中的电流 当有碰撞存在时，带电粒子的漂移运动将发生变化。 电离层等离子体的密度大而碰撞频繁，碰撞会改变粒子的速度，从而发生粒子间的动量交换，因此碰撞影响带电粒子的输运和电流产生的方式。 正离子在均匀磁场和均匀力场中的运动轨迹  左图：无碰撞情况下粒子的回旋运动和漂移  右图： 每次碰撞后粒子从静止状态开始运动 每次碰撞后，粒子初始速度方向是随机的，所以可以假定每次碰撞后粒子重新从静止状态开始运动，此时它将首先在力的方向运动，当具有一定速度后，才在y方向漂移，于是粒子有一个沿力方向的运动。 的方向运动，当具有一定速度后，才在y方向漂移，于是粒子有一个沿力 在有碰撞的情况下，磁流体动量方程中要增加碰撞项P (或粘滞项) 动量交换 碰撞频率 （仅对两成分等离子体） §6.3 电离层与磁层电流体系 太阳风、磁层和电离层中带电粒子运动产生了日地空间大尺度电流体系，这些电流产生了空间各个区域和地面观测到的变化磁场。 伴随太阳风动力学过程的日球层电流是行星际磁场(IMF）的源；电离层潮汐风发电机电流是地磁场Sq和L变化的源；极光粒子沉降所产生的极光带电集流是地磁亚暴的源；由磁层带电粒子的周向漂移运动所产生的赤道环电流是暴时变化场Dst的源；而地磁脉动则是由磁层中的磁流