[论文解读] 2-D model of the global ionospheric conductor connected with the magnetospheric conductors

В. В. Денисенко|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2018

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于高场向电导率的二维全球电离层导体模型，通过场向电导率与Pedersen电导率之比的小参数展开，将三维电导率问题简化为二维近似。结果表明，当极光区与磁层导体（极光舌和等离子层）相连时，其电势变为等势，从而可将全球电导率问题分解为三个独立的边值问题：两个极帽区域和主电离层区域，有助于对全球电场和电离层发电机场进行建模。

ABSTRACT

A model of the ionospheric global conductor is designed. The ionospheric conductor is considered in the framework of a two-dimensional approximation based on high conductivity in the direction of the magnetic field. Under this assumption the magnetic field lines are equipotential, and the charge transfer between them is determined only by integral Pedersen and Hall conductivities. The model is constructed as the first approximation in the small parameter expansion of the solution of the three-dimensional problems of electrical conductivity. The small parameter is the ratio of Pedersen and field-aligned conductivities. The space distributions of the Pedersen and Hall conductivities are calculated using the empirical models IRI, MSISE, IGRF and applied to construct the maps of the integral conductivities. The parts of the magnetosphere with high conductivity across the magnetic field lines, namely, the cusps and the plasma layer are analyzed. It is shown that the connection of these magnetospheric conductors to the ionosphere in parallel makes the auroral zones equipotential regions. As a consequence, for the ionospheric electric fields, which generators are located in the ionosphere or in the atmosphere, the global problem of electrical conductivity is separated into three independent boundary value problems in three regions: two polar caps and the main part of the ionosphere which includes the mid- and low-latitude parts of the ionosphere. The model can be used for the analysis of the ionospheric part of the Global Electric Circuit, for calculation of the ionospheric dynamo electric field and as a fragment in more complex ionospheric and magnetospheric models.

研究动机与目标

• 开发一种简化的二维全球电离层导体模型，以实现对大尺度电场和电流的高效模拟。
• 解决在电离层-磁层系统中，由于场向电导率较高而带来的电导率建模挑战。
• 实现将全球电导率问题分解为独立的边值问题，以提高计算效率并增强物理解读。
• 支持对全球电场系统中电离层部分及电离层发电机电场的分析。
• 为集成到更大规模的电离层和磁层模型中提供框架。

提出的方法

• 该模型采用三维电导率方程的小参数展开，其中小参数为Pedersen电导率与场向电导率之比。
• 假设场向电导率较高，使得磁力线为等势线，电流仅在Pedersen和Hall电导率之间传递。
• 利用经验模型IRI、MSISE和IGRF计算Pedersen和Hall电导率的空间分布，生成全球积分电导率图。
• 该模型将电离层视为与磁层中的极光舌和等离子层导体并联连接的二维导体，结果表明这些区域使极光区成为等势区。
• 将全局问题分解为三个独立的椭圆型边值问题：每个极帽区域一个，主电离层区域（中低纬电离层）一个。
• 数值求解基于有限差分法，应用于具有混合型边界条件的二维电势方程，边界条件位于极光区和赤道边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将电离层中三维电导率问题有效简化为二维近似，以实现大尺度电场建模？
• RQ2 将高电导率磁层区域（极光舌和等离子层）与电离层连接后，对极光区电势结构有何影响？
• RQ3 在何种条件下，电离层电场问题可解耦为极帽区域和主电离层区域的独立边值问题？
• RQ4 基于小参数展开的二维模型在水平尺度大于100 km时，与完整三维解相比，其精度保留程度如何？
• RQ5 该模型如何用于改进全球电场系统和电离层发电机电场的模拟？

主要发现

• 当极光区与高电导率磁层区域（极光舌和等离子层）并联连接时，其电势变为等势区，这是建模中的关键简化。
• 全球电导率问题被分解为三个独立的边值问题：每个极帽区域一个，主电离层区域（中低纬电离层）一个，每个问题均有唯一解。
• 基于三维电导率问题小参数展开的二维模型，为水平尺度超过100 km的情况提供了有效的一阶近似，误差极小。
• 该模型可精确计算电离层发电机电场，并支持对全球电场系统中电离层部分的分析。
• 该方法可高效集成到更大规模的电离层和磁层模型中，尤其适用于模拟场向电流及其对电离层电势分布的影响。
• 该模型在偶极近似下表现稳健，已通过测试计算验证，边界条件在赤道和极光边界设定，以最小化赤道电急流区域的误差。