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太阳系-5 —地磁场的源和磁暴

已有 979 次阅读 2022-3-6 18:31 |个人分类:太阳系|系统分类:论文交流

太阳系-5

地磁场的源和磁暴

地磁场的源

(1)          地球在CMDS-+地球释电条中,近地空间的物理状态CMDS-+地球释电条的控制中:

(a)         在太阳系北半球,CMDS-+地球释电条中地球,如图1所示;

(b)         太阳系北半球,CMDS-+地球释电条(生成)的磁场与地磁场,如图2所示,地球释电条的磁场等价于一个巨大的通电螺线管的磁场;

(c)          以地球为参照物CMDS-+地球释电条(生成)的磁场方向是南向,CMDS-+与地球释电条同在太阳系的北/南半球中的释电条(生成)的磁场方向皆是是南向;地磁偶极子场的磁极正对上空的磁场方向顺向于CMDS-+地球释电条的磁场方向;

(2)         近地空间磁场(地磁场)主要是由CMDS-+地球释电条所控制的近地空间中CMDS所有层组电流生成的磁场叠加而成的,尤其高纬释电的磁场;

(3)         CMDS-+地球释电条对近地空间中CMDS所有层组释电状态的控制:使层组CMDS-+释电加强,而使层组CMDS+-释电减弱,即抑制层组CMDS+-释电;

(4)         CMDS-+地球释电条平静或没有大的波动时,近地空间地磁偶极子场主要来源于CMDS中具有一定旋转半径的层组释电的磁场,尤其下面三层组释电的磁场:

(a)    表层组CMDS-+释电条的磁场,尤其高纬释电条的磁场,CMDS-+由地表(-)与D电离层(+)所在层构成;

(b)    CMDS中第5层(-)-E电离层所在层与第6层(+)-F1电离层所在层构成的层组CMDS-+释电条的磁场,尤其高纬释电条的磁场;

(c)    由第7层(-)-F2电离层所在层与第8层(+)-内辐射带所在层构成的层组CMDS-+释电条的磁场,尤其高纬释电条的磁场;

(d)    对于近地空间地磁偶极子场的贡献,表层组CMDS-+释电条的磁场,尤其高纬释电条的磁场占主导;

(5)         CMDS-+地球释电条平静或没有大的波动时,对比上述三层组,第1层(-)-下地幔所在层与第2层(+)上地幔所在层构成的层组CMDS-+,因其旋转半径较小,则该层组高纬释电条较弱。故其对近地空间地磁偶极子场的贡献较小;

(6)         CMDS-+地球释电条平静或没有大的波动时,对比上述三层组,因近地空间中层组CMDS+-释电被CMDS-+地球释电条抑制而较弱,故这些层组释电的磁场较弱(1234567

(7)         波动中的CMDS-+地球释电条对近地空间中CMDS层组的释电状态的控制作用降低,可引发层组CMDS-+释电减弱与层组CMDS+-释电加强。

多重德拜球层CMDS)中不同释电条间的相互抑制

荷电粒子多重德拜球层(CMDS由德拜球层逐层衍生而成CMDS中各层的荷电量相等,且每层的荷电总量和每层中每一区域的荷电总量都是一定的,即存在上限。同理于并联电路中在总电流一定条件下的各支路电流之间相互抑制,则不但CMDS中同层组中不同释电条之间相互抑制,而且相邻层组释电条之间也相互抑制,尤其近同径向的,即近同纬度-经度的(备注:相邻层组CMDS-+CMDS+-;每一层组由两层构成,每一层组释电是指构成该层组的两层之间的释电);

近地空间CMDSCMDS+-CMDS-+释电变化对地磁场的影响

(1)      CMDS中与表层组CMDS-+异性的层组,即CMDS+-,在近地空间CMDS中与表层组CMDS-+异性的层组释电增强会削弱地磁偶极子场;

(2)     CMDS中与表层组CMDS-+同性的层组,即CMDS-+,与表层组同性的层组释电增强会增强地磁偶极子场。

冕洞,日珥,太阳风与CME的生成机制

(1)      地球(释电条)所在层组CMDS-+中的下层(-)为日冕所在层;在CMDS-+电场作用下与

CMDS-+充释电动态平衡中,在CMDS-+中的下层(-)-日冕上分布着充电区域和释电区域。在CMDS-+释电上升力与充电下沉力的作用中,对应形成日冕上沿不同日径向分布的凹区域与凸区域。即凹区域和凸区域分别为CMDS-+充电条的根部和释电条的根部;

(2)      日冕上凹区充电进一步增强中则导致其更凹,凸区释电进一步增强中则更凸,即可形成日珥(8);

(3)      当凸区释电极大增强时导致其上升力极大增强,可形成日冕物质抛射(CME)(9);

(4)      日珥可演化成CME, CME一定要经历日珥这个过程。只是在多数情况下,由于在凸区释电极大增强中,凸区上升-日珥-CME这个过程的时间过于短暂,导致日珥停留时间过短而不明显。

(5)      CMECMDS-+某一释电条波动中陡然增强时其上升力也随之陡然增强,引发该释电条的根部所对应的日冕(-)相应区域中的等离子体粒子的上行速度与上行量都激增的表达;CME的上行呈正气旋式螺旋上升运动;

(6)      CMDS-+CME释电条波动中,其上升力也是波动的,则CME正气旋式螺旋上升运动的速度也是非均匀的;

(7)      凸区释电引发凸区粒子上行,导致该区域等离子体密度降低。当凸区较强释电持续导致粒子上行量增大至一定程度时,可造成该区域等离子体密度极低,即空穴,亦即冕洞;

(8)      日冕上离散分布的众多凸区上行粒子形成太阳风;

(9)      由于CMDS-+日冕上各凸区的释电状态不同,导致不同凸区其上行粒子的速度与流量及粒子质量不同。较强释电的凸区其上行粒子的速度较高,流量较高,粒子质量较高。故高速太阳风源于强释电的凸区-冕洞(10);

(10)     在日冕北半球,强释电的凸区-冕洞的磁场方向为逆日径向,在南半球为日径向;当强释电凸区-冕洞与地球同在太阳系的南/北半球中时,从近地空间观测强释电凸区-冕洞的磁场的方向皆为南向,即IMF(S)。

地磁尾的本质和地球风

(1)          CMDS-+地球释电条的空间范围:沿日径向并途经地球从CMDS-+的下(-)层至上(+)层。地球释电条(被地球)分为上下两段。地球释电条的下段,其范围:沿日径向从CMDS-+的下(-)层-日冕到地球;地球释电条的上段,其范围:沿日径向从地球到CMDS-+的上(+)层-小行星带;

(2)         地磁尾只是CMDS-+地球释电条的上段,或只是上段中靠近地球的那部分;

(3)         由于CMDS-+地球释电条以正气旋模式运动,即地球释电条沿日径向螺旋向上运动,则地球释电条的下段螺旋向地运动,而其上段-磁尾螺旋远地运动;

(4)         CMDS-+地球释电条下段中的等离子体粒子基本来自日冕上行粒子,CMDS-+释电上升力是日冕上行粒子的主要动力;

(5)         CMDS-+地球释电条上段中的等离子体粒子大部分间接来自日冕上行粒子,小部分来自地球大气离子。地球大气离子的上行动力主要是CMDS中层组释电上升力;

(6)         CMDS-+地球释电条在正气旋式运动中向星际空间发射出等离子体流,即地球风-行星风;

(7)         波动中的CMDS-+地球释电条,其上升力也是波动的,则地球释电条正气旋式螺旋上升运动的速度也是非均匀的。

对地磁场的扰动源

除了高空核爆与行星际激波外,地磁暴的触发源主要是南向行星际磁场IMF(S)与CME(11,12

CME对地磁场的扰动机制

(1)    当CMECMDS-+地球释电条的根部(日地连线穿过日冕表面的位置)附近出现时,即向

CMDS-+地球释电条注入大量等离子体粒子,引发地球释电条强烈波动,并在地球释电条中形成驻波。在地球释电条驻波的波腹位置等离子体膨胀,而在其波节位置等离子体收缩,形成高密度等离子体团-磁岛。强烈的驻波运动会引发CMDS-+地球释电条中等离子体溃散,导致其极大衰弱,即流经该释电条的电流大幅降低,则其产生的磁场也相应大幅变弱。导致CMDS-+地球释电条近地空间中CMDS层组释电状态的控制极大减弱;

(2)    由于CMDS-+地球释电条以正气旋式运动,即地球释电条沿日径向螺旋向上运动,导致地球释电条中驻波也随之运动。由于因波的传播介质在整体运动,则沿日径向,驻波的波节-波腹的空间位置也是移动的。即驻波骑着地球释电条一起运动;

(3)    地球释电条中驻波(波腹与波节-磁岛),随着地球释电条沿日径向螺旋向上运动,且其速度是非均匀的;

(4)    CMDS-+地球释电条中驻波的波腹途经近地空间时,即近地空间进入地球释电条驻波的波腹中时,

(a)    地球释电条在近地空间膨胀,导致大量等离子体粒子从近地空CMDS的层组中向外散逸。由于地球辐射带中的内外带之间的等离子体粒子大量散逸,导致内外带之间

CMDS+-释电减弱,则该层组生成的磁场减弱。故导致地磁偶极子场加强,相应最明显的表现为地磁低纬水平分量上升;

(b)    地球释电条在近地空间膨胀,导致近地空间等离子体密度大幅降低,地球释电条的上段-磁尾与近地空间(包括地磁层)弱连接或近乎断开状态。伴随地球释电条在近地空间膨胀,地磁偶极子场明显加强,即地磁场偶极化;

(5)    CMDS-+地球释电条中驻波的波节途经近地空间时,即近地空间进入地球释电条驻波的波节中时,

(a)    地球释电条在近地空间收缩,导致大量等离子体粒子涌入近地空间并与地球上空的大气粒子发生碰撞,产生极光;

(b)    伴随CMDS-+地球释电条强烈波动,近地空间等离子体会出现腊肠波动,即在磁场强的区域收缩,而在磁场弱的区域膨胀(13)。驻波的波节途经近地空间时,地磁场的高纬区域远比低纬区域聚拢更多的等离子体粒子,导致极光在地磁场高纬区域远比在低纬区域强烈;

(c)    由于大量等离子体粒子涌入近地空间CMDS的层组,尤其进入地球辐射带中的内外带之间,即进入CMDS+-,引发CMDS+-释电大幅增强,导致地磁偶极子场减弱,其相应最明显的表达-地磁低纬水平分量降低。虽然少量等离子体粒子也会涌入由第7层(-)-F2电离层所在层与第8层(+)-内辐射带所在层构成的层组CMDS-+并引发该层组释电增强但这明显远不及内外带所对应的CMDS+-释电增强态势;

(6)    由于释电上升力作用,类比竹笋的生长,CMDS-+地球释电条从其根部持续地向上生长,并沿日径向运动。强烈波动的CMDS-+地球释电条下段中的一段,全部经过近地空间需要一段时间,故5,6,7所述的近地空间物理状态会持续一段时间。此对应磁暴主相;

(7)    伴随地球释电条下段波动减弱,整个地球释电条也波动减弱并逐渐增强,地球释电条对近地空间CMDS层组释电的控制也逐渐加强,近地空间地磁偶极子场,也逐渐加强,其相应最明显的表达-地磁低纬水平分量逐渐升高。此过程对应磁暴恢复相;

(8)    由于驻波骑着或伴随地球释电条而快速运动,地球释电条驻波中的波腹与波节途经近地空间时所引发的地磁低纬水平分量的波动调制在地磁低纬水平分量大幅波动的背景上,如图3.所示;

(9)    CMDS-+地球释电条波动中,其上升力也是波动的,则其沿日径向,正气旋式螺旋上升运动的速度也是非均匀的,则引发地球释电条驻波中每一波长(波腹-波节)途经近地空间的时间不等,导致波腹-波节所引发的地磁水平分量的每一轮升-降的周期不等;

(10)   由CME所引发的CMDS-+地球释电条的(驻波)波动,其在地球释电条中传输速度高于CME的运动速度;CMDS-+地球释电条中最差的一段,或最强波动的一段,其上行速度低于驻波传输速度;

(11)   在磁暴主相前出现的地磁低纬水平分量陡然跃升-下降,即磁暴初相,是在地球释电条中最强波动的一段到达近地空间之前,驻波的波腹-波节途经近地空间时所引发的地磁偶极子场陡然增强-减弱中的表达;

(12)   日冕上其它角度产生的CME冲击CMDS-+地球释电条所引发的扰动及其导致的近地空间物理状态的变化同上。

IMF(S)对地磁场的扰动机制

(1)          当行星际磁场南向IMF(S)对准地球时,即对准CMDS-+地球释电条时,表明同层组CMDS-+另一个释电条位于地球的下方或下方,即同层组CMDS-+另一个释电条与地球释电条近同日径向,或近同日经度-纬度,则削弱CMDS-+地球释电条,并引发地球释电条波动。地球释电条波动和地磁场波动之间的耦合机制同上(在CME对近地空间磁场的扰动机制中所述);

(2)         行星际激波和核爆都可引发CMDS-+地球释电条的强烈波动;

(3)         任一个可引发CMDS-+地球释电条强烈波动的源,包括CME,IMF(S),激波和核爆等,即为引发地磁暴的源。

结论

(1)    近地空间的物理状态CMDS-+地球释电条的控制中;

(2)   地磁暴源于CMDS-+地球释电条的强烈波动。

附图

1. 太阳系北半球,CMDS-+地球释电条中地球

                                               

2. 太阳系北半球,CMDS-+地球释电条生成的磁场与地磁场


图3.CMDS日-+地球释电条驻波(波腹-波节)途经近地空间引发地磁场的波动


 

致谢

感谢龚碧平教授和吕和发教授的指导与帮助;感谢李务伦和于迎军等老师以及所有支持和帮助我的人。

文献

1.        池德龙,关于地球辐射带的新观点,

https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3474929&do=blog&id=1314569(2021)

2.        池德龙,太阳系-1太阳系的多重德拜球层,

https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3474929&do=blog&id=1325723(2022)

3.        池德龙,太阳系-2—太阳系内星体(星仔)的运动

https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3474929&do=blog&id=1326031(2022)

4.        池德龙,太阳系-3—太阳系内星体(星仔)的旋转(自转)https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3474929&do=blog&id=1326249(2022)

5.        池德龙,太阳系-3—天王星的旋转(自转)https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3474929&do=blog&id=1326366(2022)

6.        池德龙,太阳系-4—太阳系内星体(星仔)运动的动力-金星逆自转与大气超旋

https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3474929&do=blog&id=1326546(2022)

7.        池德龙,太阳系-5—太阳系内星体(星仔)的磁场(地球的磁场)https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3474929&do=blog&id=1327167(2022)

8.        https://www.nasa.gov/content/goddard/what-is-a-solar-prominence/

9.        https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/coronal-mass-ejections

10.     https://www.swpc.noaa.gov/phenomena/coronal-holes

11.     https://pwg.gsfc.nasa.gov/education/wmagstrm.html#:text=The%20term%20%22magnetic%

12.     吕保维,叶永恒,刘振兴《空间物理学进展》第三卷,11-242(2001)

13.     Francis F. Chen, Introduction to Physics and Controlled Fusion,Third Edition, 359-360(2016)

 

太阳系-5-地磁场的源和磁暴.pdf

 




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