電離層ダイナモ領域

Ionospheric_dynamo_region
地球上の高度約85〜200 kmの高さの領域では、電離層プラズマが導電性を示しています。太陽熱の差や月の重力による大気の潮風は、電離層プラズマを地磁気に逆らって動かし、磁力線に逆らって動くダイナモコイルのように電場と電流を生成します。したがって、その領域は電離層ダイナモ領域と呼ばれます。地上でのこれらの電流の磁気的兆候は、磁気圏の静かな状態の間に観察することができます。それらは、地磁気のSq-variations（S = solar; q = quick）およびL-variations（L = lunar）と呼ばれます。追加の電流は、変化することによって生成されます磁気圏電気対流場。これらは、DP1電流（オーロラルエレクトロジェット）と極性DP2電流です。最後に、極リング電流は、惑星間磁場の極性に依存する観測から導き出されました。これらの地磁気の変動は、地磁気のいわゆる外部部分に属します。それらの振幅は、主な内部地磁気 B oの最大で約1％に達します。

コンテンツ
1 大気の電気伝導率
2 大気潮汐
2.1 太陽の潮汐の移行 2.2 半日周期の月の潮流
3 電流
3.1 Sq-Current
3.1.1 形態学
3.1.2 仮説
3.2 L-電流 3.3 DP1-現在 3.43.4 DP2-現在 3.5 ポーラーリングカレント
4 参考文献
5 参考文献
6 外部リンク

大気の電気伝導率
地上からの放射性物質と銀河宇宙線は、下層および中層大気内の大気ガスのごく一部をイオン化し、ガスを導電性にします。電子は中性粒子にすばやく付着し、マイナスイオンを形成します。陽イオンはほとんどが一価です。電気伝導率は、イオンの移動度に依存します。その移動度は、空気の相互密度に比例します。したがって、電気伝導率は高度とともにほぼ指数関数的に増加します。イオンは中性ガスとともに移動し、導電率を等方性にします。
ただし、約85〜200 kmの高さでは、ダイナモ領域、太陽X放射、および極紫外線（XUV）がほぼ完全に吸収され、電離層のD層、E層、およびF層が生成されます。ここで、電子はすでに中性ガスと衝突する前にこれらの線の周りを数回旋回する地磁気に結合していますが、陽イオンは本質的に中性ガスと一緒に移動します。したがって、電気伝導率は異方性になります。電場Eに平行な導電率はペダーセン導電率と呼ばれます。Eと地磁気Boに直交する導電率は、ホールの導電率です。ペダーセン電流が流れると、オーム損失、つまりジュール熱が発生します。B oに平行な成分は、高度とともに増加します。地磁気ディップ赤道の近くでは、西から東に向けられた電場が、閉じることができない垂直ホール電流を生成します。したがって、垂直分極場が蓄積され、水平ホール電流が生成され、これがペダーセン電流に追加されます。このような強化は、カウリングの導電率によって説明されます。PedersenとHallの導電率は、高度120〜140 km付近で最大値に達し、太陽に照らされた状態では約1 mS/mの数値になります。夜間は、これらの数値が10分の1以上減少する場合がこれらの導電率の値は、現地時間、緯度、季節、および太陽の11年周期によって異なります。高さ積分導電率は50Sのオーダーになり、日中の条件ではダイナモ領域の総抵抗は約1/50=0.02オームになります。
南半球の約15°から20°の地磁気余緯度と対応する緯度の間にあるオーロラ領域では、磁気圏から高エネルギー粒子を沈殿させると、特に高さ約110〜120 kmで中性ガスがイオン化され、増加します。実質的に電気伝導率。磁気圏の乱れた状態の間、この導電率の向上ははるかに大きくなり、オーロラ領域は赤道方向に移動します。
約200kmを超える高さでは、中性物質とプラズマの衝突はまれになり、イオンと電子の両方が地磁気の力線を中心にのみ旋回するか、EとBoに直交してドリフトするようになります。平行導電率は非常に大きいため、地磁気の力線は電位線になり、 B oに直交する電場のみが存在できます（磁気圏を参照）。

大気潮汐
大気潮汐は、通常の太陽の差動加熱（熱潮汐）または月の重力潮汐力（重力潮汐）によって励起される地球規模の波です。大気は、下部（地球の表面）で閉じられ、上部で宇宙に開かれた巨大な導波管のように動作します。このような導波路では、無数の大気波モードを励起することができます。ただし、導波管は不完全であるため、水平および垂直のスケールが大きい最低次数のモードのみが十分に発達し、気象ノイズから除外することができます。これらはラプラス方程式の解であり、ハフ関数と呼ばれます。これらは球面調和関数の合計で近似できます。
波動モードには、クラス1波（重力波と呼ばれることもあります）とクラス2波（回転波）の2種類がクラス2の波は、コリオリ効果のおかげで存在し、 12時間より長い期間しか存在できません。津波は、有限の垂直波長を持ち、波エネルギーを上向きに輸送できる正の固有値（または同等の深さ）を持つ内部（進行波）、または負の固有値と無限に大きい垂直波長を持つ外部（エバネッセント波）のいずれかであり、位相が一定のままです。高度で。これらの外部波モードは波エネルギーを輸送できず、それらの振幅はそれらのソース領域の外側の高さとともに指数関数的に減少します。各モードは、ゾーン波数n、クラス1波に対して正、クラス2波に対して負（それらの子午線構造は、数nの増加とともにますます複雑になる）、子午線波数m、固有値、および周期によって特徴付けられます。 、私たちの場合、それぞれ1つの太陽または月の日。モードには（m、n）というラベルが付いています。nの偶数は赤道に関して対称な波に対応し、奇数は反対称波に対応します。
熱球の高さでは、大気波の散逸が顕著になり、高度が約150 kmを超えると、すべての波動モードが徐々に外部波になり、ハフ関数が球面調和関数に縮退します。たとえば、モード（1、-2）は球面調和関数P 1 1（θ）に発展し、モード（2、2）はP 2 2（θ）になり、θは余緯度などになります。

太陽の潮汐の移行
太陽熱入力構成に最適に一致し、したがって最も強く励起される基本的な太陽日周潮汐モードは、（1、-2）-モードです。それは現地時間に依存し、太陽と共に西に移動します。これはクラス2の外部モードです。地上での最大圧力振幅は約60hPaです。しかしながら、熱圏内では、それが支配的なモードになり、外気圏で少なくとも140 Kの温度振幅に達し、水平風は100 m / sのオーダーであり、地磁気活動とともにさらに増加し​​ます。最大の太陽半日周波は、120 hPaの地面近くで最大圧力振幅を持つモード（2、2）です。内部クラス1ウェーブです。その振幅は高度とともに増加します。その太陽励起はモード（1、-2）の半分ですが、地上での振幅は2倍大きくなっています。これは、外部波の抑制の効果を示しています。この場合は4倍です。

半日周期の月の潮流
主な移動する月の潮汐は、月の現地時間に応じて（2、2）モードです。地表付近の最大圧力振幅は6Paであり、気象ノイズをはるかに下回っています。したがって、このような小さな信号を検出することは簡単ではありません。内部波であるため、その振幅は高度とともに増加し、地上より2桁大きい高さ100kmで値に達します。

電流
Sq-Current編集

形態学
世界中の100以上の地磁気観測所が、地球の磁場の変動を定期的に測定しています。静かな地磁気活動の選択された日の間の毎日の変動は、月平均を決定するために使用されます。このようなデータの水平成分ΔHから、ダイナモ層の強度の高さで対応するオーバーヘッド等価電気シート電流システムを導出できます。
J=2ΔH/μ=1.6ΔH
J（ミリアンペア/メートル）で電気オーバーヘッドシート電流、ΔH（ナノテスラ）で観測された地磁気変動の水平成分、およびμで自由空間の電気透過性。簡単な経験則により、電流に対する磁場の方向を決定できます。右手の親指が電流の方向を指している場合、湾曲した指が関連する磁場の方向を示します。 。
この関係は一意ではないことを考慮に入れる必要が一般に、電離層と磁気圏内の電流は3次元であり、無限の数の電流構成が地上で観測された地磁気変動に適合します。現実的な画像を得るには、宇宙での磁気測定が必要です。

  図1.一次（a）部分と二次（b）部分に分離された12 UTでの分点（1957-1969）中の等価電離層Sq電流の流線。2つの流線の間を20kA流れます。
図1aは、正午に太陽から見た等価Sq電流の電流流線を示しています。この現在の構成は太陽に固定されていますが、地球はその下で回転しています。1日の渦内に合計約140kAの電流が流れます。回転するSq電流と導電性のアース内部は、ダイナモ領域を一次巻線、アースを二次巻線とする巨大な変圧器のように動作します。Sq電流は1日の基本周期によって変化するため、地球内部に電流が誘導されます。この二次電流の磁場は、一次Sq電流の磁場に重畳されます。両方のコンポーネントを分離する方法は、 Gaussに戻ります。二次電流の振幅は一次電流の約1/3であり、位相がわずかにシフトしています。図1bは、その2次コンポーネントを示しています。上記のシート電流と磁気成分の比率は、単純に1の値になります。
平方電流は季節によって異なります。夏の渦は冬の渦に比べて強くなり、冬の半球に達します。Sq電流の縦方向の依存性が存在します。これは、内部磁場の傾斜した双極子成分に関連していますが、おそらく下からの非移動性の津波にも関連しています。 11年の太陽周期の過程で、 Sqの振幅は、黒点の最小値から黒点の最大値まで2倍以上増加します。この増加の3分の2は、太陽活動による電気伝導率の向上に起因する可能性が残りはおそらく太陽活動の増加に伴う気温上昇によって引き起こされる風速の増加によるものです。夜間、電離層E層の電子密度はF層の電子密度よりもはるかに強く減少します。したがって、ダイナモ領域の高さの中心は上にシフトします。
Sq電流の主な要因は、外部（1、-2）津波モードです。高度との位相が一定であるため、ダイナモ層の高さでコヒーレント風を駆動するのに最も効率的ですが、内部モードによって生成される電流はさまざまな高さで破壊的に干渉します。フーリエ解析は、日周成分の振幅の1/2の振幅を持ち、位相が180°シフトした半日周成分を示しています。これは、日変化する風の積と日変化する導電率の間の非線形結合の結果であるように見えます。日中の渦の中心は、日々の変動を示しています。これは、部分的には太陽活動にも、下層および中層大気のさまざまな気象条件に敏感な内部潮汐モードに起因する可能性が
赤道付近（地磁気の力線が水平）では、赤道から約150 kmの範囲で、東向きに流れる電流の強い帯が観測されます。このようなSq電流の約4倍の向上は、カウリングの導電率によるものです。太陽フレアの間、活発な黒点の環境からの太陽放射のバーストは、主にE層とD層の高さで、より高い大気に到達し、最大で1時間続きます。日中の半球では電気伝導率が高くなり、Sq電流が増加します。地磁気太陽フレア効果またはかぎ針編みと呼ばれる小さな増加が発生します。日食の間、電気伝導率は影の領域で減少し、Sq電流、したがってSqの変動はその領域で数nT減少します。それは地磁気日食効果と呼ばれています。両方のイベントは、静かな地磁気活動中にのみ観察できます。
強い磁気圏擾乱の余波で、電流システムは準反Sq電流に発展します。これは、極熱圏でのジュール熱によって生成されます。 この現在のシステムはDdynと呼ばれています。

仮説

  図2.アンペールの力jxBoとローレンツ力UxBoを介した水平
風Uと圧力p 結合を
示すブロック
図。ここで
、 jは電流密度、 B oは地磁気、hは等価深さ、σは電気伝導率、 Eは電気分極場です。結合システムの自己無撞着な処理では、ゲートBを閉じる必要が従来のダイナモ理論では、ゲートBは開いています。
中性風Uのダイナモ作用を定量的に決定するために、風の発散の方程式と一緒に風の水平運動量方程式から始めます。運動量方程式は、慣性力、コリオリの力、および圧力の水平勾配pのバランスを取ります。さらに、アンペールの力J x B oは、電流密度jを風と圧力のシステムに結合します。同等の深さh（潮汐モードの固有値）が風の発散を決定します。電流はオームの法則に従わなければなりません。電荷分離によって分極場Eが生成され、電流のソースとシンクがない状態が強制されます。風と電流の間のフィードバックは、ローレンツ力UxBを介して発生します。通常、電気伝導率テンソルσは与えられたデータセットと見なされ、高さ積分伝導率テンソルΣと高さ積分シート電流Jが適用されます。
従来のモデルでは、アンペールの力は無視されます。これは、図2のゲートBが開いていることを意味します。これはキネマティックダイナモと呼ばれます。ゲートBが閉じているモデルは、水磁気ダイナモと呼ばれます。無限大の電気伝導率σを考えると、風と電流の相互結合の影響がすぐにわかります。キネマティックモデルでは、風の振幅は一定のままで、電流は無限に大きくなります。水磁気モデルでは、電流は上限に達します。これは、短絡時の技術的なダイナモと同様ですが、風の振幅は元の値の何分の1かにまで低下します。電荷分離は、電流が無限に大きくなるのを防ぐ自己インピーダンスのように機能します。

L-電流
月（L）電流は、Sq電流よりも約20倍弱くなります。これらの電流を駆動する主な風成分は、（2、2）潮汐モードです。L電流はSq電流と形状が似ていますが、2つの渦ではなく4つの渦が出るという違いが各渦には、約4kAの合計電流が流れます。Lの季節変動は、Sqの季節変動と類似しています。日当たりの良い時間帯にはLが強く強調され、夜間はゼロに近づきます。したがって、L電流は、さらに、月の満ち欠けに応じた変調を示します。 L電流の地磁気効果は、カウリングの導電率がその電流を強く増強するディップ赤道の近くで最もよく見られます。

DP1-現在
太陽風プラズマと極地磁気の相互作用により、夜明けから夕暮れに向けて、静かな磁気圏条件では約15 kVの電位差があり、乱れた条件では大幅に増加する地球規模の磁気圏電気対流場が生成されます。電荷分離は磁気圏境界面で起こります。この領域は、オーロラ領域内に1つのフットポイントを持つ最初の開いた地磁気線を介して電離層ダイナモ領域に接続されています。したがって、放電電流は、昼間と夜間の半球で、オーロラゾーンダイナモ層内の2つの小さなバンドとして電界整列電流を介して流れることができます。これらの電流は、DP1電流またはオーロラルエレクトロジェットと呼ばれます。それらの光度はメガアンペアのオーダーです。オーム損失、したがってこれらの電流のジュール熱は、静かな状態では中緯度および低緯度で、乱れた状態でははるかに大きい太陽XUV熱入力によるものと同等です。したがって、それは電離層と熱圏のダイナミクスを支配し、電離層と熱圏の嵐を引き起こします

DP2-現在
磁気圏の電気対流場は、朝と夕方に渦が配置された極座標カップ内の2つのセル電流を駆動します。これはDP2電流と呼ばれます。その電流は、静かな状態（S q p ）の間にすでに存在し、乱れた状態の間に増強されます。それは主に電気ホール電流で構成されています。

ポーラーリングカレント
惑星間磁場（IMF）の方位角成分が夕暮れに向けられている場合、磁気圏プラズマは北極冠で減速され、南極冠で加速されます。IMFの方位角成分が夜明けに向けられている場合、状況は逆転します。共回転からのこの逸脱は、低緯度で消えます。極域内の地面への磁気効果は、太陽から離れる方向を向いた磁場を持つ惑星間セクターの間に地面に立っている観測者から見た、時計回りの方向に磁極を取り囲む約10 °の極距離での電離層ホール電流に対応します。セクター方向の極性の間は反時計回りに

参考文献
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参考文献
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外部リンク

 コモンズの電離層ダイナモ地域に関連するメディア”