关于电离层中的发电机效应介绍

[拼音]：dianliceng zhong de fadianji xiaoying

[外文]：ionospheric dynamo effect

在电离层中，横越地球磁力线的电离层运动产生感应电流，这和发电机中转子切割磁力线产生电流的原理十分相似，故称为发电机效应。所驱动的电流愈大，表示发电机效应愈强。电流的大小主要由电离层电导率和运动速度决定。电离层电导率是各向异性的，又随高度而变化，致使电流主要分布在80～150公里的高度范围，即发电机区之中。不同形式的电离层运动，会产生具有不同时空分布特征的电流体系。发电机效应不仅带来地磁场的各种规则变化(如太阳日变化和太阴日变化等)，而且还会改变电离层特别是F层的运动状态和形态特征，例如产生赤道地区F层的双驼峰现象（见电离层形态）。

电离层电导率

由于电离层是部分电离的，所以电离层是导电的，其电导率同电子密度、离子密度、带电粒子同中性粒子的碰撞频率以及地磁场有关。在磁场作用下，不仅沿电场方向有电流出现，而且还会形成垂直于电场方向的电流。这样，电离层中的电流按流动方向可分为3种形式：第一种是平行于磁场的电流，称为场向电流；第二种是平行于电场，但垂直于磁场的电流，称为佩德森电流；第三种是既垂直于电场又垂直于磁场的电流，称为霍尔电流。设磁场为B，平行于磁场的电场分量为E//，垂直于磁场的电场分量为E寑，则按广义欧姆定律，电流密度j可表为：

j=σ0E//+σ1E寑+σ2E×B/B ，

式中B 为磁场强度，σ0、σ1和σ2分别为平行电导率、佩德森电导率和霍尔电导率。

发电机区

发电机电流主要分布区域。在电离层中，电场由两部分组成。一部分是极化电荷产生的极化场Ep，另一部分是电离层运动引起的感应场（或称发电机场）。，v为运动速度，c为光速。于是电场强度

。

由于发电机场总是同磁场垂直，所以电流的强弱主要决定于垂直磁场方向的电导率，即σ1和σ2。在80公里以下，σ1和σ2都很小，这是因为带电粒子同中性分子的碰撞频率太高的缘故。在150公里以上，碰撞频率极低，磁场对带电粒子的运动起控制作用，垂直于磁场的电场很难产生垂直于磁力线方向的电流，以致σ1和σ2也很小。而在80～150公里之间，离子因碰撞频率高主要受碰撞控制，电子则因碰撞频率低主要受磁场控制，二者运动方式截然不同，从而有垂直于磁场的电流产生，表现为σ1和σ2在这一区间为最大值。这一区域即称为发电机区。由于碰撞频率随高度增加而不断减小， 所以σ0总是随高度增加而增加，后果是沿磁力线电位降随高度的增加愈来愈小，以致磁力线可近似地看做等位线。这样，发电机区的电场可以沿磁力线输送到电离层上部区域，带来各种动力学效应，例如在赤道地区就可引起F层的双驼峰现象。

电流体系

当发电机效应达到稳定平衡时，电流应满足稳恒条件墷·j =0。已知地球磁场、电离层运动速度和电导率的分布，对广义欧姆定律和稳恒条件联立求解，即可求出电离层中的电流分布。另外，根据地面地磁场的规则变化也可以推出电离层中的电流体系。

各种形式的电离层运动都具有发电机效应。在电离层中的潮汐风以周日分量为主（见电离层运动），其水平风速分布所对应的电流体系，可由地磁场的周日变化推算出来。发电机电流主要集中在 110公里附近的区域（这一结论得到火箭直接探测的证实）。由太阳引潮力和热潮力引起的大气潮汐运动产生的电流体系称为Sq电流系，它随着电离层电子密度的变化而有周日、季节等变化，并受太阳耀斑和日食的影响。月球引力产生的大气潮汐运动在电离层中形成的电流体系称Lq电流系，其变化有半周日特性。Sq电流系和 Lq电流系分别引起地磁场的太阳日变化和太阴日变化，幅度分别为几十纳特和几纳特。

在白天赤道附近 110公里高度上电流密度很大，这一强电流称为赤道电急流。这是因为在赤道附近的电离层中，地磁场基本沿水平方向，并且电导率随高度变化呈现一峰值，在峰值上面和下面电导率很快下降，该处的霍尔效应使得上下边界积累异号电荷，产生铅直方向极化电场。该电场所产生的霍尔电流大大地加强了水平电流，从而产生了赤道电急流。赤道电急流所对应的电导率称为柯林电导率，记为σ3，它同佩德森电导率σ1和霍尔电导率σ2有如下关系：

，

于是由σ1和σ2可以直接计算σ3随高度的变化。在110公里附近σ3最大，并且比σ2和σ1都大得多。