[论文解读] Remote Sensing of Geomagnetic Field and Applications to Climate Prediction

AMary Selvam|ArXiv.org|Feb 17, 2000

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 3

一句话总结

本文提出了一套普遍理论，将大气涡流动力学与地磁场联系起来，表明大规模大气湍流产生垂直气溶胶气流，从而生成水平地磁场。该机制涉及由地表摩擦产生的浮力能量、周期倍化混沌以及电荷分离，通过卫星监测的地磁变化可实现更精准的气候与天气预测。

ABSTRACT

Observations show that geomagnetic field lines follow closely the atmospheric circulation patterns and that geomagnetic field variations are precursors to climate change . The exact mechanism for the observed close relationship between global geomagnetic field and the tropospheric weather patterns is not clear. In this paper a universal theory of atmospheric eddy dynamics is presented which shows that the global geomagnetic field, atmospheric electric field and weather systems are manifestations of a semi permanent scale invariant hierarchical atmospheric eddy continuum. Quantitative equations are derived to show that the full continuum of atmospheric eddies exist as a unified whole and originate from buoyant energy supply from frictional turbulence at the planetary surface . Large eddy growth occurs from turbulence scale by the universal period doubling route to chaos . The turbulent eddies are carried upwards on the large eddy envelopes and vertical mixing occurs by the turbulent eddy fluctuations resulting in downward transport of negative space charges from higher levels and simultaneous upward transport of positive space charges from surface levels. The eddy circulations therefore generate a large-scale vertical aerosol current, which is of the correct sign and magnitude to generate the horizontal component of the geomagnetic field. Therefore, atmospheric circulation patterns leave signature on the geomagnetic field lines whose global variations can be easily monitored by satellite borne sensors and thus assist in weather and climate prediction.

研究动机与目标

• 解释地磁场所变与大气环流模式之间观测到的相关性。
• 识别大气湍流与水平地磁场生成之间物理机制的关联。
• 确立地磁场所变作为气候变化前兆的可靠性。
• 建立一个定量框架，用于在天气与气候预测中使用地磁数据。
• 证明大气涡流是由地表摩擦湍流驱动的标度不变、分层连续体。

提出的方法

• 推导出半永久性、标度不变的分层大气涡流连续体的定量方程。
• 应用普遍的周期倍增混沌路径，对从湍流尺度发展而来的大型涡流进行建模。
• 对空间电荷的垂直输运进行建模：负电荷的向下运动与正电荷的向上运动。
• 将由此产生的大尺度垂直气溶胶电流与水平地磁场的生成相联系。
• 利用搭载在卫星上的传感器监测全球地磁场变化，作为大气环流的代理指标。
• 确立所生成场的符号与大小与观测到的地磁场分量一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 大气湍流如何生成地磁场的水平分量？
• RQ2 标度不变的涡流动力学在将地磁场变化与天气模式关联中起什么作用？
• RQ3 大气中的电荷输运机制如何产生可测量的地磁场变化？
• RQ4 地磁场变化能否作为气候变化预测的可靠前兆？
• RQ5 观测到的地磁场线与对流层环流之间相关性的物理起源是什么？

主要发现

• 全球地磁场源于由湍流涡流与电荷分离驱动的大尺度垂直气溶胶电流。
• 该机制涉及由地表摩擦湍流产生的浮力能量，通过周期倍增混沌路径导致涡流增长。
• 湍流涡流将负电荷向下输送，正电荷向上输送，形成与水平地磁场方向一致的相干电流。
• 所生成场的大小与符号与观测到的地磁场分量一致，验证了该机制的可靠性。
• 通过卫星监测地磁场变化，为追踪大气环流模式提供了切实可行的方法。
• 研究表明地磁场变化是气候变化的可靠前兆，可显著提升预测能力。