讲解空间物理.doc

空间物理1957年10月4日，前苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星，从此，开创了人类航天时代的新纪元。三十多年来，伴随着空间活动的频繁发生，逐渐形成了一门独特的综合性学科 空间科学。它主要是利用空间飞行器作为手段来研究发生在宇宙空间的物理、化学和生命等自然现象的一门前沿科学，包括了空间物理学、空间天文学、空间化学、空间地质学、空间材料科学和空间生命科学等分支。研究领域空间物理学主要研究地球空间、日地空间和行星际空间的物理现象，是地球物理学的自然延伸。它的研究对象包括太阳、行星际空间、地球和行星的大气层、电离层、磁层，以及它们之间的相互作用和因果关系。空间物理学又包括下列分支学科： （1）高层大气物理学 研究距地面50公里到2000公里以上的空间区域的物理现象。覆盖整个地球的大气质量约为5.31021克，其90%聚集在离地表15公里高度以下，99.9%在距地面48公里以内。地球大气的密度、压力、组分和电磁特性都随高度而变化，按不同物理特性可分为对流层、平流层、中层、热层和外层；按组分状况可分为均匀层和非均匀层；按电磁特性可分为中性层、电离层和磁层；按化学成份特征还有臭氧层。地球大气是人类赖以生存的主要环境，与人类的空间活动、军事活动和科学研究有着密切的关系。在发展航天事业的同时，人们不能不注意到航天发射对大气层的破坏，会影响人类健康和全球生态平衡。 （2）电离层物理学 研究发生在电离层中的电离过程、动力学和光化学等物理过程。地球高层大气中的分子和原子受太阳产生的电磁辐射与粒子辐射的作用，其外层电子会脱离分子和原子的束缚而电离出来，从而使大气中出现大量的自由电子、正离子和负离子，形成从宏观上仍然是中性的等离子体区域，叫电离层，它处在离地表大约60公里至几千公里高度的一个确定空间。由于电子密度不同，电离层可分成D层、E层和F层。电离层中的带电粒子在外加电磁场的作用下会发生振动，产生二次辐射，同原来的无线电波外加场矢量相加，使电波向下折射而传播。超短波（30300兆赫）的散射传播会穿透电离层，可用于地面和空间飞行器之间的跟踪定位、遥测、遥控和通信联络。等离子体技术在空间技术（例如等离子体推进）、氢弹及受控热核反应、磁流体发电等各个方面都有实际应用。（3）磁层物理学 我们知道地球是一个磁体，地磁场与一个棒状磁体的磁场（偶极场）相似，地磁轴与地球自转轴的交角为11。地磁场的主要部分约占99%的磁场，称为基本磁场，来源于地球内部；另一部分称为短期变化磁场，来源于外部，主要是由太阳风与地磁场之间相互作用和高空电流体系引起。太阳风以35070O公里/秒的速度流向太阳系空间，因而把地磁场压缩在一个空间区域，形成磁层，其边界称磁层顶。磁层顶在向阳面的边界距地心约10个地球半径，在背阳面形成磁尾，一直拖延到100个地球半径以外的行星际空间。磁层的接近地球部分，在地磁场作用下，随地球一起共转，形成等离子体层。 磁层的存在对人类进行空间活动有很大的影响。磁层中的粒子（主要成份是质子和电子）与物质发生作用时。可以引起电离、原子位移、化学反应和各种核反应。从而容易损伤空间飞行器、人体和材料等。为了确保航天飞行的安全，必须加强对磁层的研究。 （4）行星际空间物理学 行星际空间是太阳系内行星之间的空间，研究行星际物质的分布、密度、温度和磁场等物理性质，是这门学科的主要内容。它阐述太阳风（太阳抛出的高速带电粒子流）和太阳磁场的形成、运动、在行星际空间的分布以及对其他行星际物质的作用，这些对推测太阳系的起源、演化都有重要的作用。 （5）行星大气物理学研究太阳系中行星大气层的组成结构以及物理效应。太阳系中，水星、金星、木星、火星、土星、天王星、海王星周围，都有一定的大气环绕，其分层类似地球大气分层。冥王星有无大气，至今不能断定。 （6）行星磁层物理学由于太阳风与行星磁场的相互作用，行星磁场就被限制在一定的空间区域，形成行星磁层。行星磁层就是行星磁层物理学的研究对象。 （7）宇宙线物理学 来自宇宙空间的各种高能微观粒子质子（氢原子核）、粒子（氦原子核），电子、中微子和高能光子（X射线和射线）称为宇宙线。宇宙线物理学研究的是宇宙线的来源、传播及与星际空间的相互作用，它是我们研究天体演化的一个重要途径。 （8） 太阳物理学 太阳物理学包括太阳大气研究、日震学、天体物理学等各个方面。空间物理学主要研究日冕物质抛射的形成、演化过程以及对行星际磁场和地球磁层、电离层的影响。现在主要的研究手段就是使用人工日食或者利用卫星观测的方法研究日冕的变化以及位形，利用编程技术重构日冕模型，得到三维的日冕结构图像，作进一步分析。研究方法（1）对于高层大气的研究，最常使用的是激光雷达。 （2）对于日冕的研究，使用的仪器有天文望远