抽象性
空气中发生的电气过程将大气层和电离层并发,因为DC和AC效果均以光速操作全球电路静电电场变化来自雷暴、闪电排出和中间层光学释放磁层电子降水波及高纬度地震期间释放的放射性元素影响下层大气电子密度和传导性本文简要回顾了我们目前对这些事件如何在从下层大气向电离层转移能量方面发挥关键作用的理解,最终导致地球大气电离层相联
开工导 言
地球大气层是环绕地球的一组气体,由地球重力保留大气通过吸收紫外线太阳辐射保护地球生命,通过保热变暖表层(温室效应)并减少昼夜温度极端基于温度分布,大气划分为对流层、平流层、中间层和热层热层温度基本恒定一号)[一号..平流层和中层区域归为中间层中层大气上方称为上层大气,太阳辐射和其他来源离子化中性成分组成离子元件和电子从中间层向热层扩展的区域称为电离层,等离子体动态受电离粒子和中和以及电离粒子本身碰撞控制上电离层被称为磁层区域带电粒子动态受地球磁场控制,因为密度碰撞频率极低上电离层和下磁层区域之间没有锐度
电离层系统主要由各种外部强制源和数机制控制太阳极端紫外线辐射和粒子能量形式由太阳风等粒子从上而起冲击,而潮流、行星波、重波、广频电磁波、扰动、对流等从下而出甚至在地表下/对上/对上发生过程也影响电离层及其过程下层大气/中层大气/上层大气(电离层)/磁层起多相联系统作用串通主要通过动态过程、化学过程和电过程发生
电离层对各种现象作出反应,如光化排出物、高功率发射机功能化、高功率爆炸、地震、火山喷发和台风等。雷暴在从大气层向电离层转移能量方面起重要作用3并用全局电路建立大气电离层间电联地球表面有净负荷, 并有正对正荷分布 分布于表层上方的大气下层大气电流结构GEC和传导剖面图一号广度受宇宙射线通量[4高功率传输波5-7和震8..开亮生成告密器模式波散射辐射带嵌入下电离层并产生电离层异性九九,10..强高频传输波产生电离层加热,转而产生超低频波和极低频波11低频管道和其他类型异异性12,13加速离子并刺激不同光谱带的大气排放14..这些过程对GEC(包括电离层)的影响尚不完全理解。
雷暴平面活动生成重波向下电离层传播并存储能量和动能过程分解和吸收并可能有助于启动图象和其他瞬时光事件15-17..反向问题则由图文和其他TLE生成声重波热能沉入中性大气图文量内(~10)4千米3短时(<1ms)可产生脉冲压脉冲,相向向传播为声波/重力波18号..大图文沉积的能量可大至~1GJ19号..声重波引起电离层E层等离子密度和电传性时空调伴生波不稳定生成相关战地流和等离子密度异常20码..卫星观测异常DC电场、ULF磁脉冲、小等离散性以及相关ELF排放21号可被视为这些过程的实验证据重力波与TLE关系的全部知识仍未解决
本文的目的是简要审查当前对下层大气操作过程与其电动与电离层相联关系的理解后导出分节2处理大气电离层相联物理更详细的描述包括AC和DC现象等各种联动过程在C节中讨论3.简明摘要解析4与一些讨论
二叉地球大气-电离层物理
雷暴和闪电释放是地球大气层电磁和静电能的主要来源电阻涉及因接触其他表面而在对象表面积载电荷充电交换作用通常只在至少一个表对电流有高抗药性时才会注意到。暴风雨中快速垂直重新排列深空层大过程推广、构造垂直和横向空气运动和风暴内过程控制雨和强本地风开发强烈垂直空气流和雷暴是低高度过热和潮湿的结果
雷暴由云团组成电荷生成分离雷暴开发阶段,闪电排出时中和多进程在成熟对流云环境内操作,效果和时间依赖不同影响云电气化22号,23号..雷暴充电可说成感性充电或非感性充电感知过程需要原已存在的电场诱导粒子电荷,这样当粒子从另一粒子反弹时,电荷分离并增强字段空气中公平天气电场由大气正荷和地面负荷生成可被视为原已存在的场空格仪表实验结果需要其他一些收费过程22号..非感知过程独立于外部电场的存在普通雷阵状小冰晶正向上移动,而较大的回波粒子负向下降相对于重力作用小粒子视当前温度条件、液水含量和雷暴混合情况而定,这是正常状态雷暴情况大相径庭,充电过程可能不象上文讨论的那样保留24码..为了更好地了解这些现象,需要深入调查云内电场时间开发精确度测和模拟
雷暴有效段电荷积聚最终通过二电分解或离散分解过程产生闪电排出29-32码..电场计算偏向离散故障机制三十三..排出过程不完全理解,需要进一步观察和工作闪电卸载在云/雷暴中产生电荷平衡,并因此向上传播半电子场从雷暴上载层启动半电子场短时间连接对流层与平流层和下电离层约40-100次闪电排出除向上传播准电流外,闪电流生成~20GW峰值电磁脉冲34号可能引起电离层扰动,因为电子加热加速、电离化生成、光学发射等
上向传播半电子化原因平流层和中层瞬时发光事件(sprites、蓝喷射机/gigantic喷射机、精灵等),通过电离层异异化和编组对下电离层产生更多影响,并激励全世界各地的科学家重新研究我们对电过程和大气层特性的理解图2显示瞬时发光事件的多样性和典型高度Sprite群分短寿命2米、3米或更多胡萝卜形排放~1千米宽度50-100千米,图案元素分离~10千米2,35码..上半点图文红色,微蓝斜角延伸至40千米或时低至云顶和亮度高度65-85千米35码..通常持续5-50ms并可能采取一个或多个垂直列数数百米半径的形式,小列图状或大水母形结构数万公里半径并从电离层D-区域几乎向下延伸至雷暴云顶2,35码..从实验室实验中学到的子层压力气体排出知识被用于理解斯普特光谱学和相关现象25码..图3显示宽相似光柱实验管和图案[25码..光谱特征差可能是由于电场应用差差、气压差和中间层和气管排出气组成差与图案和其他光学事件关联的物理过程也与对流层雷暴活动相关联,并被认为导致下电离层传导变化逐步积聚36号..立司卡37号推荐用图文生成次声波,瑞典网络传感器检测到次波签名38号..声波次声波中的声波签名形状可用图图横向大小解释三十九..Neubert等[40码由红外线检测可替代光学检测, 因为它不受清晰透视条件或缺光的限制
(a)
(b)
精灵指由云向地面闪电流或极地所散射电磁脉冲引起的电离层底端75-95千米高度横向向外传播光导环精灵生成平均电子密度增强210-460电子cm3级大面积(直径165至220千米)圆形区域假设高度10千米41号,42号并由此产生中层电传性扰动,通过测量VLF波幅变化来评价[43号,44号从发射机传播到电离层波导美嘉45码实验数据中事件VLF发报信号似乎分布于横向扩展电子密度增强区,最有可能与胡萝卜图案上端的hilos或扩散区相关联,而不是低高度观察小流电磁脉冲生成精灵还生成离子化46号,47视其强度而定单片成分气体对斯普里特/精灵光学排放的贡献尚不为人知。研究闪电化学和电能这可能要求未来研究使用光学观察中的大片窄带滤波器和理论分析中的动能建模
瞬时光事件为雷暴中对流层进程与高层大气中对流层进程提供链路,它们的研究还有望提高我们对隐蔽中层的理解,也许是地球大气中最不为人理解层。Hiraki等[48号表示图文可能改变NOx和HOS在中间层和下层大气中的集中化学变化会影响中间大气中的全局冷却或加热49号-51号..氮氧化物是对流层关键组件,直接波及臭氧和氢氧基丰度52..臭氧吸收太阳紫外线辐射并控制大气动态平衡NOx生成对流层臭氧并摧毁平流层和中层臭氧并影响气候调查领域仍未探索
闪电生成告密器模式波沿地磁场线传播而无明显减值,从而连接对流层与电离层和磁层告密器模式波同时向磁层赤道区域传播与地球辐射带套接电并造成高纬度下电离层等离散式降水地面观察证实了这种联动53号气球测量54号火箭实验55号,56号和卫星观察57号,58码..
雷暴和闪电排出构成GEC中主要流源,图中显示这些流源的基本特征4[26..太阳风与地球磁生成附加电流59号和潜在的渐变调制通电云降水也是电流驱动60码..大气总流GEC为~1-2k27号..图中显示实战电路模型电容电阻电阻开关5[28码..开关短期关闭,如果发生某类卸载例例开关 高山市 关闭y1ms时,当特定暴风雨发生正(负)云对地排出开关 关闭几ms时,图案发生于特定雷暴和公平wea时间常量上方 分钟 欧姆斯 F.)生成器作用<1%地球表面,剩余~99%地球表面区域作用电路负载电路总流位为~1k28码..GEC基于概念,即电荷量必须在地球大气-电圈-磁层系统内保留,电流再分配电荷和电流持续
雷暴提供电量不足以维持公平weaRycroft等[61号包括GEC模型中电云生成器被发现与暴风雨相同光学现象发生在GEC上端暴风波上方,可能只影响上层大气传导性因为它们与强闪射相联50码,62微小对电离层潜力的贡献61号..巨型喷射机运输大量负荷释放大气电容63号-66号其电离层和GEC效果尚未建模sprite/TLE事件流转作用、GEC充电/拆卸、电场改接地球表面仍无解答光学排放可改变大气电特性并影响天气和气候相关进程,因此需要在这一领域开展密集研究活动。
地震通过生成电磁场影响大气电动学,这些电磁场有地壳变形、故障相关派磁性、压力/传导性、电动效果、电磁生成过程、热再磁化和去磁化效果等67号..地球复元圈中的这些过程与大气和电离层扰动相关Sorokin等[8讨论过程组成电动模型 地震和气象现象对电离层的影响射入大气层的放射性物质和充电喷雾器改变传导性高度剖面、生成外部流、扰动电场和电离层流Joule电离层加热和声重波不稳定发生,这表现为电离层传导性横向异性形成最后,引用等离子密度波动和电离层ULF/ELF排放,生成场对齐流和等离子层,向上等离子迁移和修改F2层间变换电离层上层组成68号,69..这些变化还可能影响GEC和地球气候,这仍然是一个有待解决的难题。图6显示图表可用于计算外部流并增强下层大气电传性,导致电场增加电离层中电场,原因是地震期间注入自固态地球充电浮质和放射性元素[3..
还有一些复杂过程显示多级变异扰动混合和Eddy扩散是很少从下游传输的其他方式控制层中相对丰度的大气物种分布往往与高度无关作为一种物理机制的一部分,可考虑内部大气波的影响对流层和平流层向上传播内部大气波(行星波浪、波浪和重力波)对热层和电离层至关重要的能量和动量源弱中层重力波将导致上层大气强风,转而影响行星波传播能力,产生更多反馈路线70码..内波研究自然是气象学领域,该学科拥有自身长期独立开发并有自身复杂问题,与电离层物理大相径庭,视两者为分离但相邻学科由天气前沿或对流层和平流层中任何其他源传出内部波有时似乎能够渗透到电离层中,在那里消散大部分能量。海浪能量从对流层和平流层流出至少100-115千米71号并被视为气象对电离层影响的机制
3级各种拼接过程
雷暴直接对齐大气层和电离层电离层和地球之间的潜在差值通过雷暴闪电排出电和电云的抽取动作来维系电场和下层大气传导流主要由离子控制等特征参数随高度变化,如运动率、寿命率和生成率近些年来,在理解雷暴和闪电方面取得了一些进展22号,72,73号..解析闪电释放的基本因素是头部存储电荷造成的气分解向新区域扩展通道云电分布通用模型基础是电场测量 雷云内和雷暴下方75..先前,由云中负电荷组成、上方正电荷和下方小正电荷组成并广用后期考虑上云边界筛排负荷76中图描述7.平面对流区成熟雷暴区通常发现四层电荷,外对流区至少看到六层电荷前向后向Anvils通常含有正控件并用负电量层筛检模式不代表超细胞风暴,这些暴风通常居中正电量取代典型主负电量区77号超细胞风暴有逆极充电结构 产生云对地闪电拟建模型7依据气球探测暴区 中下方有限部分对其他中纬度区域、热带和高纬度的风暴有效因稀疏有待测试原地数据.
全球电路连接电场和流下层大气、电离层和磁层组成巨球冷凝器50码,59号,78号由雷暴和其他生成器充电数达数十万伏79并驱动垂直流穿过公平天气大气层列阻17欧米2级)最近Stolzenburg等[30码电场数据测试32气球探测MCS(中尺度对流系统)分片区域并推断15例中台式云向GEC充电,其余17例中云向电路卸载监控监对GEC的总体效果大或小Davydenko等[80模拟半电子电场和电流内部和附近生成正排出物和图文并显示大云对地准DC流排出GEC它们对GEC和正云对地闪存的全面影响仍有待量化垂直流导致分层云电化弱81并产生垂直潜在梯度 大气接近地球表面电路闭合由水平流通高度操作地球和电离层,由垂直流从地面流入雷暴和从雷暴顶向电离层
3.1.AC神话
雷暴是AC和DC通过闪电排出相联下层大气和电离层的主要来源闪电排出回波产生射电波脉冲,波从几赫兹波到数兆赫电离层波指南长距离传播信号数千米 最小频段为ELF波段3-3000赫兹82..共振持续振奋 因为光照常发生 遍及世界各地最近对Shuman共振研究的兴趣产生,因为父光学卸载电荷运动变换可以通过测量各种模式对共振模式的贡献来评价,TLES研究使用该模式[CMC83号-85..地球表面和电离层交错可按分秒小至小至小于1时间尺度研究华府s.
闪电生成波谱部分波能扩散到电离层和磁层系统,与环境等离子粒子交互作用并影响全球电离层/磁层能量计算极低频波(VLF3-30kHz)范围以带式模式沿地磁场线传播86并引磁层电子降入下电离层,导致D区传导性修改87,88..无带VLF波传播89..倾斜加热粒子可参与分解和离子化过程VLF签名电离层扰动29,43号,90,91..
超低频水磁波(ULF, <3Hz)以远小于光速的不同模式之一通过磁层传播海浪与电离层和磁层中的离子交互ULF波段有时被称为磁层地震波模拟法,从点测量法遥感量92..频度范围~0.1-5赫兹波也激起电离层 Alfven共振器93,94中心电离层F最大值2区域 Alfven波反射索引最大值太阳周期IAR光谱共振结构变换95..IAR边界在顶端电离层和E区电离层为~1000千米高度
ULF-VLF电场经太平洋强台风检测至顶端电离层96..尚不知道机制细节电磁脉冲电离层热学考虑并建模97,98号..VLF地面发射机大增射波99高频3-30MHz百元用于研究电离层加热和修改相关现象包括电密度和温度扰动(E-C区电离化增强,E-Servadication增高,F区温度增高,电子密度增高)电静波扰动和光学增散
下热层通过光生成电磁脉冲加热可能导致电流分解并生成图文和其他光学发布101,102..比较异端相对离散机制可产生bremsstrahlung和伽马射线辐射,也得到建议和讨论31号,103,104..洛兰州47曾审查两种机制两种过程并发流体中:热排出波束相对式种子电子可点燃离散相对式排出105..下热层电场极瞬态,~1-10ms传统分解机制解释对图案及其相关现象的大多数观察格肯和伊南106表示相对微弱扩散图象限制低海拔可与高值流和短时闪电释放相联Adachi等[107serve事件列数与当前正云对地排出峰值强度成正比值, Van derVelde et al的结果无法证实[108..表示图态进程与云内闪电过程之间的复杂关系,这些关系尚不完全理解。
流与图案相关联为针形电离分解并受增强电场驱动,因为电场头部分电分解,头部电位信号决定流水器极度刘和帕斯科109由流水体头生成的电离紫外光因此,他们认为光电化对确定斯普特流水器传播和分支很重要前后密度异性也可能有助于流水器编组110..并解释极性偏差触发图案流蓝喷射机有时出现在高能雷云顶端并上传垂直速度~100千米一号最大高度约40千米据信这些流水体正流出云面上向准电场63号,101..多流水体源头表面(正负均分)
帕斯科和George111建模分支流成分片树Pasko等[112上方报告异常蓝喷射机 相对小雷暴单元 并传播达~70千米高度大于42千米特征与图案相似,但持续时间较长显示暴风雨顶端与下电离层发生电接触Gigantic喷射机从云顶向电离层延伸90公里高度并可持续至~0.8秒64码,113号-115..观察到的巨型喷射机为负极化,由平时电流生成,因此类似于负云电离层排出5架大型喷射机中发现四种事件与ELF射波相关联,而没有观测云对地闪电触发这些波浪这表明ELF波由负云对电圈排出每种事件都通过从电离层清除30联想来减少电离层潜力64码并需要将效果纳入GEC模型
3.2DCPhenoma
大气GEC中 雷暴被认为是分布在全球的巨型电池,导致电流达++100MEV74号,116由云对地或内波闪电短时间尺度卸载上向排出像大型喷气机 并卸载GEC如此大的潜力可产生高能光子X光片117号甚至是伽马射线118号中上层大气吸收前可移动相当距离
固有当前源119号,120中层可能生成大DC电场121,通过火箭测量观测到122,123远程通过数组MF雷达测量124-127号..大区电场提高电子温度和有效碰撞频率超中度温度增强电子温度违反局部热动平衡对流层扰动期间,对流层传导性提高和对流层与中间层电联导致中间层电流源倒置并大幅下降中间层大电场强度电子温度和有效碰撞频率下降导致D区冷却128,129..
上层电流与电荷分离过程关联 单电流为~1A假设~1000雷暴运行时间遍及全地球,则上行流为~1000A流波高度电离层(~80千米高度)电离层电容板总电荷为~2x105C[59号..电流2级从电离层流到地球表面距离雷暴取决于介质电传性传导性可能因宇宙射线事件通量、磁层高压粒子降水、喷雾分布变化、压力变化和对流层温度分布变化而改变上向准电子场还改变大气/下电离层传导性图8显示电传率变化原理40码..全球变暖影响喷雾器分布、温度和气聚对流层和平流层,从而改变下层和中层大气动态130..变化导致雷暴和光亮性能变化研究全球升温现象对GEC产生的变化将令人感兴趣
研究电流层和电离层相联时,电流层被视为等值表面,这不完全正确。极活跃极光区间潜在差(1度或2度宽)可能变为~100kV连电离层迪纳摩斯都可能在中低端生成~15-20kV潜在差异与电离层等值表面概念相冲突Ogawa等[131号研究中间大气横向电场变异等似问题进一步复杂,因为这些潜力的时空变异有各种尺度长度和时间尺度地震、火山、热带风暴、台风等引起的强烈大气扰动也影响下电离层电特性最近对电离层人造自然效果的实验和理论研究取得了一定进展3..然而,在理解大气电离层联动所涉多项过程的源头和互连性方面有重大差距。
4级摘要
地球大气层和电离层电动联动非常复杂并用全球电路描述目前,许多方面没有得到很好理解。最近测量显示,联动同时影响电子密度和电传性雷暴是对流层的主要生成器测量学和理论研究使人们对充电机制及充电阵雨结构有一定理解,然而方方面面仍未解答雷暴大复杂短时现象电荷生成分离机制与电荷结构尚不为人知,难以建模电过程与云动态或运动以及云微物理密切相关,而云微物理不完全为人所知或理解深入理解至关紧要,因为它控制气候和变异性为了正确理解,必须同时测量雷暴不同部分电参数并发时间间隔
瞬时光事件对局部电离层潜力的作用、电场靠近地球表面的修改和GEC充电/投射尚有待量化光层排出生成图案、蓝喷射机、精灵等机制的分解机制也存在争议闪电生成告密器模式波导致范艾伦带电子降水改变D区传导性不同类型告密者模式波的相对重要性未知
瞬态中间层电场生成需要详细研究,因为它为在扰动条件下开发对流层-对流层-电离层电动模型打基础地球上层大气中发生的众多现象是由下层大气和地面源引发的,如雷暴、台风、沙暴、地震、火山喷发和核电厂放射性释放所有这些现象都影响到从地球表面到下电离层的电传性下层大气传导力和外部流变化导致电流干扰GEC并连通DC电场扰动地球表层和电离层,从而影响地球大气层和电离层电动联动
感知感知
A.K.Singh感谢DST提供财政支助A.K.辛格市Siingh还感谢印度空间研究组织(ISRO)在CAWSS程序下提供部分财政支助R.P.Singh确认印度Varanasi物理系主管提供设施