電離層中的發電機效應

在電離層中，橫越地球磁力線的電離層運動產生感應電流，這和發電機中轉子切割磁力線產生電流的原理十分相似,故稱為發電機效應。所驅動的電流愈大,表示發電機效應愈強。電流的大小主要由電離層電導率和運動速度決定。電離層電導率是各向異性的，又隨高度而變化,致使電流主要分布在80～150公里的高度範圍，即發電機區之中。不同形式的電離層運動，會產生具有不同時空分布特徵的電流體系。發電機效應不僅帶來地磁場的各種規則變化(如太陽日變化和太陰日變化等)，而且還會改變電離層特別是F層的運動狀態和形態特徵,例如產生赤道地區F層的雙駝峰現象（見電離層形態）。

基本信息

由於電離層是部分電離的，所以電離層是導電的，其電導率同電子密度、離子密度、帶電粒子同中性粒子的碰撞頻率以及地磁場有關。在磁場作用下，不僅沿電場方向有電流出現，而且還會形成垂直於電場方向的電流。這樣，電離層中的電流按流動方向可分為3種形式：第一種是平行於磁場的電流,稱為場向電流；第二種是平行於電場，但垂直於磁場的電流，稱為佩德森電流；第三種是既垂直於電場又垂直於磁場的電流，稱為霍爾電流。設磁場為,平行於磁場的電場分量為，垂直於磁場的電場分量為寑,則按廣義歐姆定律，電流密度可表為：

j=σ0E//+σ1E寑+σ2E×B/B ,

式中為磁場強度,、和分別為平行電導率、佩德森電導率和霍爾電導率。
發電機電流主要分布區域。在電離層中，電場由兩部分組成。一部分是極化電荷產生的極化場，另一部分是電離層運動引起的感應場（或稱發電機場）。,為運動速度，為光速。於是電場強度

電離層中的發電機效應

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由於發電機場總是同磁場垂直，所以電流的強弱主要決定於垂直磁場方向的電導率,即和。在80公里以下，和都很小，這是因為帶電粒子同中性分子的碰撞頻率太高的緣故。在150公里以上,碰撞頻率極低，磁場對帶電粒子的運動起控制作用，垂直於磁場的電場很難產生垂直於磁力線方向的電流，以致和也很小。而在80～150公里之間,離子因碰撞頻率高主要受碰撞控制，電子則因碰撞頻率低主要受磁場控制，二者運動方式截然不同,從而有垂直於磁場的電流產生,表現為和在這一區間為最大值。這一區域即稱為發電機區。由於碰撞頻率隨高度增加而不斷減小, 所以總是隨高度增加而增加，後果是沿磁力線電位降隨高度的增加愈來愈小，以致磁力線可近似地看做等位線。這樣，發電機區的電場可以沿磁力線輸送到電離層上部區域，帶來各種動力學效應,例如在赤道地區就可引起F層的雙駝峰現象。
當發電機效應達到穩定平衡時，電流應滿足穩恆條件墷·=0。已知地球磁場、電離層運動速度和電導率的分布，對廣義歐姆定律和穩恆條件聯立求解，即可求出電離層中的電流分布。另外，根據地面地磁場的規則變化也可以推出電離層中的電流體系。

電離層中的發電機效應

其他信息

各種形式的電離層運動都具有發電機效應。在電離層中的潮汐風以周日分量為主（見電離層運動），其水平風速分布所對應的電流體系，可由地磁場的周日變化推算出來。發電機電流主要集中在 110公里附近的區域（這一結論得到火箭直接探測的證實）。由太陽引潮力和熱潮力引起的大氣潮汐運動產生的電流體系稱為S電流系，它隨著電離層電子密度的變化而有周日、季節等變化，並受太陽耀斑和日食的影響。月球引力產生的大氣潮汐運動在電離層中形成的電流體系稱L電流系，其變化有半周日特性。S電流系和 L電流系分別引起地磁場的太陽日變化和太陰日變化，幅度分別為幾十納特和幾納特。
在白天赤道附近 110公里高度上電流密度很大，這一強電流稱為赤道電急流。這是因為在赤道附近的電離層中，地磁場基本沿水平方向，並且電導率隨高度變化呈現一峰值，在峰值上面和下面電導率很快下降，該處的霍爾效應使得上下邊界積累異號電荷，產生鉛直方向極化電場。該電場所產生的霍爾電流大大地加強了水平電流，從而產生了赤道電急流。赤道電急流所對應的電導率稱為柯林電導率，記為，它同佩德森電導率和霍爾電導率有如下關係：

,

於是由和可以直接計算隨高度的變化。在110公里附近最大，並且比和都大得多。

電離層中的發電機效應