Transcript 第三讲
第三讲：太阳风和带磁场行星的相互作用 Ion distributions Diffuse ions B Ion foreshock boundary B Bn Ions Intermediate distributions VS Reflected Ion beams n Q-// shock Electrons [after Paschmann et al., 1979] Ion foreshock Field-aligned beams (FABs) Earth FAB Not associated B with Bn f (v// ) FAB SW Q- shock ULF Waves n [after Tsurutani and Rodriguez, 1981] [Paschmann et al., 1981] [Sentman et al., 1981] 行星磁场 以地球为例: 具有偶极子场的特性 偶极矩大约为8*1015T·m3,与地球自转轴有大约 110的倾角。其他行星，有的低于10，有的高于500。 在球坐标下： Br 2Mr 3 cos B Mr 3 sin B Mr 3 (1 3cos 2 )1/ 2 在球坐标下： Bx 3xzM z r 5 By 3 yzM z r 5 Bz (3z 2 r 2 ) M z r 5 磁力线和L参数 在极坐标下，磁力线方程： rd / B dr / Br d 0 可得： r r0 sin 2 r0是原点到磁力线与赤道面交点的距离。通常以L（以行 星半径归一的距离）和磁纬表示 r L cos2 令r=1,可求得不变纬度 cos1 (1/ L)1/ 2 广义行星磁场 偶极子不够精确，实际复杂的多，可用 Legendre展开。 主要的地磁起源理论 大体分五类，侧重点不同： 磁化理论（偶极场产生机制） 感应理论（偶极场产生机制， 偶极场变化的机制） 电流理论（偶极场产生机制， 偶极场变化的机制） 波动理论（地磁场西漂） 发电机理论（一般的理论） （1）永久磁化理论（吉尔伯特,1600） 吉尔伯特:地球是个大磁铁。 磁矩~8*1022Am2 问题: (1) 如果地球是均匀磁化球，要产 生观测到的地磁场，平均磁化强度应为 ~80A/m (地球体积约为1021 m3) 。这是 天然岩石磁化强度的上限，地球不可能 完全由这样的物质组成。 (２)岩石只能在居里点温度 （~600度）以下，才可获得永久磁化， 由地温梯度估计，在20-30km 深度处， 温度已到居里点温度。如果地磁场仅仅 由地表到20-30km这一薄层地壳所产生， magnetization 单位体积内 则要求地壳岩石的磁化强度高达 6000A/m。不可能! 分子磁矩的 矢量和 (2）磁回旋理论（巴耐特, 1933） 巴耐特理论: 旋转的铁磁 物体会在转轴方向磁化， 其磁矩为 M 4cmn / e , 实验值接近 M 1.5 106 n(C.G.S ) 式中n为每秒钟转数。 问题:把地球的转速 (n~10-5)代入上式，所得 到的地球磁矩仅为实际地 磁矩值的100亿分之一。 太小! （3）巨体旋转理论（布莱克特, 1947） 布莱克特理论: 地球、太阳和室女座78号星 的磁矩与转矩之比很接近。于是他提出，由 于某个目前还不能解释的物理定律，巨大天 体具有与机械转矩成正比的磁矩。为了得到 实验证明，他专门研制了无定向磁力仪，测 量随地球转动的纯金球的微弱磁场。 问题:实际测量结果否定了他的假定，但无定 向磁力仪却成了古地磁测量的重要仪器。 （4）磁暴感应理论（查特里, 1956） 查特里理论: 磁暴起源于赤道环电 流。反复发生的磁暴，通过电 磁感应可以在地核中形成产生 偶极磁场的电流体系。 问题:只有在偶极场存在的条件下， 才会形成磁暴环电流。即先有 地磁场，后有环电流。 即使不考虑这个困难，要 形成今天的地磁偶极场，大约 需要100亿年，而地球却只有 46亿年的历史。 (5）静磁感应理论（怀尔德) 怀尔德同心球模型:内球的电流模拟偶极磁场， 外球相应于海洋的区域置放铁板（他认为，海 洋地壳比大陆地壳冷，故居里点较深，磁性较 强），大陆下面的某些特征也用铁板来模拟。 用这个模型产生的总磁场（包括一次场和铁板 中的二次感应场）显示了主磁场的某些特征。 问题: 1. 海洋地壳比大陆地壳温度高，怀尔德 的假设与实际情况不符。 2. 没有给出内球电流产生的原因，而这 一点正是地磁场起源理论应该回答的最核心的 问题。但是可以给出非偶极场的解释。 （6）磁力线扭结理论（阿尔文, 1950） 阿尔文理论:以高电导地核的感 应过程为基础。如果地核存在 差动旋转，原偶极磁场被流体 运动拖曳而缠绕。在强缠绕情 况下，磁力线束不稳定，最后， 形成磁力线环(扭结）。许多这 样的磁环可能同时存在，磁环 被对流拉伸开来，最后增强了 原来的磁场。 问题:磁力线扭结可能是地核中 一个重要的过程，但是形成磁 环的过程是否足够频繁地重复 进行，还是一个不清楚的问题。 （7）旋转电荷理论（舒瑟兰德，1900） 舒瑟兰德理论:如果地表分布着静电荷，随地球旋转会形 成电流，并产生偶极磁场。 问题: (1)为了产生观测到的地磁场，要求地表面电荷密 5 2 。但测量表明，全球电荷总量仅54 . 10 C 度为 014 . C/ m 如果这些电荷全部分布在地球表面，平均面电荷密度 也只有 109 C / m ，远远不足以产生所要求的磁场。 (2) 所要求的面电荷会在地面产生的强大电场，远 远大于地表实际观测到的电场，也远大于地表大气的 放电电压。 (3) 即使存在这样的面电荷，随地球一起旋转的观 测者既测不到电流，也测不到磁场。 （8） 漂移电流理论(英格里斯， 1955) 英格里斯理论: 由地球内部高温而产生的自 由带电粒子，在磁场和电场作用下做漂移运 动并产生漂移电流，使原来的磁场增强。这 个理论认为，电场是地球内部电荷因重力作 用不同而自身分离的结果：电子轻而靠近地 表分布，正电荷重而靠近地心。英格里斯估 计，由于这种分离，在一个原子体积内可形 成的电荷约为 1010 电子电荷。 问题:以磁场和自由电子存在为前提，电场? （9）残余电流自由衰减理论(兰姆， 1883) 兰姆理论: “永磁体”假说的失败使人们转向 “电磁铁”假说。假设一开始地球内存在 闭合电流而形成磁场，此后，电流自由衰 减，地磁场缓慢减小。 问题: 这个假说的困难在于，起始的大电流 是如何产生的？电流衰减的时间常数只有 10万年，如何能维持几十亿年的地磁场？ 此外古地磁并未提供地磁场自由衰减的证 据。 （10）热电效应理论（埃尔萨塞, 1939） 埃尔萨塞理论: 在流体地核中，由于放射性物质自然 衰变形成的温度梯度驱动对流，上升和下降部分的 温差产生电动势和电流，从而产生地磁场。 问题: 产生必要的温差电动势要求对流的上升部分 和下降部分的温差大于50C，但考虑浮力和电磁力 的平衡以及热力学效率，地球内部的这个温差仅仅 只有10-4C。而且， 50C的温差会产生很大的对流 速度以及地核向地幔的热流，但地面热流观测并不 支持这个结论。 (11）霍尔效应理论（魏斯汀, 1954） 魏斯汀理论: 由于核幔界面上的温差或别的原因， 会形成电流体系。由于下地幔物质具有半导体性 质，其霍尔系数远大于金属地核。如果同时存在 一偶极磁场，则会产生霍尔电流，它的磁场将使 原来的磁场增强。这样的过程重复发生，即可建 立起一个足够大的磁场。 问题: 但是，下地幔霍尔系数究竟有多大还不清楚， 而且，这个理论无法解释地磁场的长期变化。 （12）压缩效应假说（冈恩, 1929） 冈恩理论: 象地球这样的高度压缩物体的重力 场会产生电场，在电场的驱动下，电子运动而 产生电流，并进而产生磁场。 问题: 这个假说的真实性尚未得到证明。 （13）磁流体波理论（海德，1966） 海德理论: 用简单的理论模型研究了不可压缩流 体组成的旋转球壳中的自由磁流体振荡，对于 每一个谐波，旋转会引起两种不同的振荡模： 磁模和惯性模，二者以不同的速度传播。如果 地核中环型磁场的强度为100高斯，则可以用 地核磁模与地球极型磁场的相互作用来解释主 磁场长期变化的许多特点，包括西向漂移。惯 性模产生的磁场变化，因振荡周期较短，难于 穿透到地表，但它在下地幔感应出的涡旋电流 可能影响核幔的力学耦合。 问题: 实际观测的频散与理论预期相反 (14) 电池效应(仑伍德，1958， 梅里尔，1990) 仑伍德理论: 下地幔D’’层中发生着化学作 用，象一个巨大的化学电池，使正离子 向一个方向移动，而电子向相反方向移 动，产生形成地磁场所需要的电流。该 电流的磁场可能占观测磁场的相当大的 一部分。 问题: 未证实,长期变化? (15) 地核发电机理论 (拉莫尔，1919， 埃尔萨塞，1946，布拉德，1949) 1919年拉莫尔首次提出天体磁场起源的发电机假 说，他在《象太阳这样的旋转天体怎样成为磁 体？》一文中写道：“太阳表面的现象指出， 在太阳内部(主要在子午面内)存在着残余的环 流。这种内部运动将因感应而生成电场，而电 场又作用于运动介质。如果环绕太阳轴的任一 导电回路是连通的，则有电流绕太阳轴流动， 此电流将使施感磁场增强。于是，太阳内部环 流运动就以自激发电机的方式，通过消耗内部 环流运动的能量，维持一个永久磁场。”拉莫 尔的思想也同样适用于导电流体的地球外核。 2. 地球发电机过程的深部环境 发电机过程的3个条件：磁场、导体、运动。 问题：地球内部是否具备这些条件？ 对地球内部的认识：对地球深部的结构、状态和 性质的认识主要来自地震、重力、地热、地化、 电磁感应、地球自由振荡、陨石、比较行星学等 观测研究和高温高压实验结果。 （3）定常状态 扩散和冻结这两种效应同时存在。磁力线 一方面被流体带着运动，同时又在介质中扩散。 扩散效应总是使磁场趋于均匀分布，但冻结效 应可以使磁场增强，也可以使磁场减弱，取决 于速度场的性质。最后，磁场究竟是增强，还 是减弱，决定于这两种效应的相对大小和综合 结果。 磁场保持不变是一种特殊情况，令磁感 应方程左端磁场的局地变化率为零，即得这种 定常状态。此时，磁场对流效应与扩散效应正 好相互抵消，这正是一些发电机理论所考虑的 问题。 示意图 太阳风施加给磁层顶的压力 利用绝热流的伯努利积分： u2 p const 2 1 考虑到磁层顶的速度为零 ps 1 2 /( 1) (1 M ) p 2 考虑到激波的影响 K ps 1 ( 1) /( 1) 1 ( ) u2 2 [ ( 1) /(2M 2 ]1/( 1) 磁层施加给磁鞘等离子体的压力 假定太阳风压力和假定磁层压力处于平衡状态： (aB0 )2 K u 20 L2mp 2 B0是行星赤道面磁场，Lmp为以行星半径为单位的磁层顶距离。 对于地球,a=2.44 Lmp ( RE ) 8.53a1/ 3 ( K u2 ) 1/ 6 2 1/ 6 107.4(nswusw ) 磁层腔的形状 磁尾的极限宽度 假定尾瓣是半圆形的，其磁通量为： FT RT2 2 BT 利用磁尾的磁压与太阳风热压和磁压相平衡 RT2 2FT /( 2 0 psw )1/ 2 磁层的自洽模型 利用MHD方程建模。 磁层周围的太阳风流动