空间物理概论

1、地球科学概论空间物理部分提纲关键词： 地球空间 高层大气、电离层、等离子体层、磁层 空间天气 太阳与太阳系 太阳系探索地球空间一、地球空间概述1、地球空间的定义：靠近行星地球的、受太阳辐射变化直接影响的空间区域。内边界大约距离地球表面60公里，外边界是太阳风与地磁场相互作用形成的。2、地球空间内的物质：地球大气的一部分，从距离地面约60公里，扩展到几十个地球半径。地磁场（磁流体发电机）。二、地球大气层（只有平流层以上且不包括平流层的中高层大气才划入地球空间）1、地球大气层次划分：a.对流层 平流层 中间层 热层【加热：太阳紫外线辐射和X射线（最重要）、带电粒子加热（高纬地区）、电离层电流加热（

2、高纬地区）】 磁层（完全电离的大气）（大气层层次划分依据：温度的垂直变化）b.此外还有两个特殊的层，臭氧层、电离层2、地球的大气层的大气密度日变率：40km-变化小 50km100km变化中等 100+km随太阳活动和地磁活动剧烈变化3、中高层大气（大气层中属于地球空间的） a.高层大气密度随太阳活动变化，原因：太阳紫外辐射增强，且被高层大气吸收 b.研究20100公里的大气的重要性：亚轨道飞行器的飞行范围、载人航天器气动加热严重的区域、中程导弹飞行空间、亚轨道旅游、对地观测、军事侦察三、电离层1、什么是电离层：电离层是地球高层大气的一部分，因受太阳的紫外线、X射线和带电粒子辐射而电力。是地球

3、大气中自由电子密度足以对无线电波传播产生显著影响的区域。2、电离层的高度范围：601000km3、电离层的基本特性是：a.具有足够数量的自由电子和离子，显著地影响电磁波传播b.电离度低（1%），相当多的大气分子和原子未被电电离；电子和离子的运动还部分地受中性风的影响。4、电离层的结构，电离层电子密度以及离子成分随高度的变化#分层结构与不匀称结构电离层的分层结构：D 6090km; E 90160km; F 160km以上 fcritical=910-3N WHRER N=electron density per cm3and fcriticalis in MHz.D层：主要电离源：太阳的拉曼辐

4、射和软X射线辐射/夜间D层基本消失/由于大气比较稠密，电子与中心粒子和离子的碰撞频繁，无线电波在这一层中的衰减严重/夜间D层基本消失。E层：主要电离源：太阳紫外线和软X射线/电子密度峰值出现在105110km之间/夜间E层的电子密度很低。F层：是电离层中持久存在、电子密度极大所在的层次。分为F1和F2。电离层的不规则性（不匀称结构）：a.高密度斑与低密度泡b.散见E层和扩散F5、电离层扰动：太阳电磁辐射和粒子辐射的增强引起的电离层状态变化6、突发电离层骚扰：太阳耀斑爆发出的X射线暴使得向阳面D区的电离密度急剧增加，短波和中波无线电信号立即衰落甚至完全中断。7、电离层暴：地磁场发生全球性变化时，

5、电离层状态发生的急剧变化称为电离层暴；正常形态打乱，使得通信适用频率的选择困难。8、电磁波在电离层中的传播：a.直接视距传播（地波）b.地球表面与电离层D层之间多次反射传播（大气波导）c.在E层或F层反射传播（天波）d.穿过电离层（卫星通信）极低频与甚低频传播：极低频信号在地球和电离层之间所构成的“波导管”中传播，稳定可靠。【极低频波的特点：超视距传播，能穿入海水数百米【极低频通信系统缺点：系统极为庞大，天线效率极低，可能对四周环境造成有害影响，对电力线、电话线和电气设备等形成电磁干扰；费用昂贵低频波传播（长波）：中频波传播（中波）：地波传播，主要用于导航、海上通信、调幅广播高频波（短波）传播

6、：天波，电离层反射，主要用于短波广播、电话、超视距雷达【fmaxf=fcritical/sin，=发射方向与水平方向夹角，同时存在最低频率限制（ALF），低于此频率将被D层吸收超高频波传播：视距传播，用于卫星通信、雷达和移动通信影响电磁波传播的因素电离层不均匀结构：电离层闪烁，信号相位变化，导致导航、定位误差，数字通讯误码，影响无线电波传播路径电离层扰动、突发电离层骚扰和电离层暴：a.最高和最低可用频率变化b.飞行体跟踪、航天器测轨受影响c.信号被吸收、通讯中断d.导航、定位的精度受影响d.影响微波遥感e.时间同步问题电磁波在电离层中的反射建立电离层的平板模型。每层板的折射指数分别是n1, n

7、2, n3等的薄板（但每个板有几个波长厚），将斯涅尔定律应用到每个边界，得到：sini0=n1sini1n1sini1=n2sini2n2sini2=n3sini3 =n（r-1）sini(r-1)=nrsin90=nr所以有sini0=nr根据等离子体理论n2=1-N2/2这里N是等离子体频率，N2=ne2/0mfcritical=910-3N1/2，这里N=等离子体密度/cm3，f的单位是MHz四、磁层1、磁层的定义：太阳风流经地球时，与地球磁场相互作用而在地球周围形成的、地球磁场对带电粒子起控制作用的区域2、极光：a.产生：带电粒子撞击高层大气的分子或原子而激发的绚丽多彩的发光现象称为极

8、光b.分布：主要发生在高磁纬地区，70至1000km的范围内c.紫外极光、X射线极光、质子极光与电子极光d.由于地磁场的存在，只有在极区或者高磁纬地区，带电粒子才能运动到较低的高度，与大气分子相撞，产生极光。解释：粒子在不均匀磁场中受力的方向与磁场增加的方向相反；由于这个力的作用，粒子运动到一定高度之后将反弹，反弹点称为镜点，因为在相反的极区也有这样的点；如果入射粒子接近与磁场平行，那么磁镜点降低，若低于100km，则粒子在反射之前就与大气分子相撞，称作粒子沉降。e.为什么极光是五颜六色的？答：大气成分、带电粒子的种类、带电粒子的能量f.研究极光的意义：*极光与太阳活动密切相关*由激光频谱可判

9、断沉降粒子种类*由极光区分布可判断太阳活动和地磁活动程度3、辐射带：在地磁场作用下能围绕地球漂移一周以上的带电粒子称捕获粒子。辐射带的定义是在地球周围由地磁场捕获的高能带电粒子区域（这是一个比较确定的区域），按空间区域分内辐射带（在赤道面上离地心1.1到3.3个地球半径，主要是高能质子）和外辐射带（在赤道面上离地心4.5到6.0个地球半径，主要由电子组成）。4、地磁活动a.地磁活动的定义：带电粒子沿着磁力线运动产生场向电流产生磁场，垂直于磁力线运动产生环电流，产生磁场。这些磁场使正常情况下的地磁场值发生变化，称为地磁扰动，或地磁活动。其中，由大的环电流引起的地磁场变化成为磁暴。b.磁暴：在地球

10、的赤道上空，电子与离子在地磁场中漂移方向相反，因而产生环绕赤道的电流，称为“环电流”。这个环电流产生的磁场与地磁场的水平分量相反，因此，强的环电流是地磁水平分量减小很大，形成磁暴。c.亚暴：*定义：地磁场持续时间为2、3小时的扰动，是存储在地球磁尾的太阳风能量瞬时释放引起的。引起极光卵增大、增亮。*分布：平均一天出现四到五次，每次释放一个中等地震的能量。d.磁暴和亚暴效应在地面的效应：对输电线路的破坏对航天器的效应：航天器带电对近地环境的效应：高层大气加热对载人航天的效应：对宇航员的辐射损害对电离层的效应：通讯受到干扰甚至中断对人类生存环境的效应：带电粒子对臭氧分布的影响太阳与太阳风一、太阳的

11、结构1、日核-核反应区：厚度约为太阳半径的四分之一，太阳能量的99%是由中心氢核聚变为氦的核反应产生的2、辐射区：太阳厚度的25%到70%，在核心产生的能量由光子向外输送3、内表面层4、对流区：底部温度高，顶部的温度低，形成对流5、太阳大气：成分主要是氢71%与氦27% a.光球层：是肉眼可以看见的日轮，几百公里厚；可见光波段的辐射几乎全部是光球层；光球层的许多特征：暗的黑子、亮的光斑、米粒和超米粒结构 太阳黑子是太阳光球上的黑色斑点，是光球上温度很低、磁场很高的区域。形成的原因是：高通量的带电粒子和强磁场会阻碍对流，限制热量传输到太阳表面；以至于部分光球层冷却，因此看上去黑一些。 b.色球层

12、：在光球层上面的不规则层，大约1500公里厚。用单色光观测，可以看见它是一个美丽的玫瑰红色的气层，因而得名光球层 c.过渡区：色球层与日冕之间的薄层，在这个层的上下，温度发生急剧变化。 d.日冕：过渡区之上是日面层，延伸到数倍太阳半径处；日冕是温度108K的高温、稀薄等离子体 冕洞：在太阳X射线成像中暗的区域称为冕洞；冕洞是高速太阳风的源 太阳风：在太阳表面，日冕气体温度很高，足以克服太阳引力，以400800km/s的典型速度离开太阳，这个外流的等离子体称为太阳风；太阳风主要由质子和电子组成，也有少量的氦核与重离子；太阳风高速流来自冕洞二、太阳爆发性活动1、日冕物质抛射（CME）：a.日冕物质

13、被加热和加速，速度超过逃逸速度而飞向行星际空间。b.大的CME可抛出10亿吨物质，喷发速度可达2000km/s。c.在太阳活动峰年，太阳每天发生大约3次CME，在太阳活动低年，大约每5天发生一次CME2、太阳耀斑：a.太阳爆发性的能量释放过程，持续时间从几十秒到几小时b.主要特征是电磁辐射急剧增大，在强耀斑期间，紫外和X射线辐射可增强一百倍c.一次大耀斑释放的能量高达1025J，相当于四百亿个广岛原子弹d.在太阳活动高年，每周大约观测到一次耀斑e.耀斑分级BCMX(小大)3、太阳耀斑与CME的关系：a.大约有一半的CME与耀斑无关b.耀斑伴随强烈的电磁辐射，并不总有粒子辐射；而CME主要是抛射

14、物质（磁化的等离子体）c.大磁暴与CME密切相关，只有同时又强粒子辐射的耀斑才引起磁暴三、太阳周期性活动1、定义：太阳电磁辐射与粒子辐射周期性的变化称为太阳的周期性活动2、主要周期活动：a.27天太阳自转周变化b.太阳黑子的11年周期变化c.太阳磁场极性的22年周期变化3、太阳磁场：a.太阳磁场形态比地磁场复杂得多，图中黑、白相应于不同极性b.太阳黑子区磁场最强c.所有太阳活动都与磁场的演变有关四、太阳活动对地球空间的影响1、太阳风与日地关系：a.太阳风等离子体是联系太阳活动与地球空间变化的纽带b.太阳风在接近磁层时的状态直接影响地球空间的变化2、日冕物质抛射对地球空间的影响：a.磁暴b.高能

15、电子暴c.太阳质子事件3、耀斑对地球空间的效应：a.X射线暴，八分钟到达地球，电离层突然骚扰b.相对论高能粒子，十几分钟到达地球，极区电离层电离增加，影响极区通讯c.太阳能量粒子，几个小时到达地球，对航天员的危害d.高速太阳风。2天左右到达地球，磁暴、亚暴太阳系的构成一、行星：1、定义：一颗行星是一个天体，它满足围绕太阳运转，有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的（近于圆球）形状，同时清空了所在轨道上的其他天体2、分类：类地行星（水星、金星、地球、火星）、类木行星（木星、土星、天王星、海王星）、（冥王星）二、矮行星：1、定义：一颗矮行星是一个天体，它满足围绕太阳运转，有足够大的质量来

16、克服固体应力以达到流体静力平衡的（近似圆球）的形状，没有清空所在轨道上的其他天体同时也不是一颗卫星2、矮行星：谷神星、珍娜三、小天体：其他围绕太阳运转的天体，卫星除外，统称为“太阳系小天体”。如流星、彗星、小行星月球与月球探测一、月球1、概况：没有大气，表面也无液态水。昼夜温度变化很大，表面最高温度高达123，白天平均温度为107，夜间平均温度为-153，夜半球温度最低达-2332、月球表面特征 a.大的暗区称为“月海” b.月面上有22个月海，期中有19个在朝向地球的半个月球c.月陆又常称作高地，是月面上亮的一些区域，比月海高13公里，约占月球表面总面积的4/5 d.月球布满大大小小的陨击坑

17、3、月壤与月土a.月球表面覆盖着的碎岩和细尘覆盖层称为“月壤”，而月壤中的细尘(小于毫米)另称作“月尘”或“月土”（Lunar soil）。b.月壤完全不同于地球土壤，不是风化过程形成的，也不含腐植质，而是基岩被陨击的溅射碎屑沉积的连绵覆盖层。二、月球探测1、探测月球的意义，为什么要探测月球a.科学意义：月球的起源与演变、月球的空间环境、在月球轨道观测地球的空间环境、月球天文台、在月球上监测近地小行星b.月球资源：核聚变材料氦3、极区可能存在的水冰、稀有矿物资源c.技术意义：为更远的深空探测做技术准备、验证一些新技术、推动高技术的发展d.军事意义：在月球上监视地球、验证新的军事技术、月球导弹基

18、地、月球反导弹系统三、月球探测的形式飞越、硬着月或软着月、环月、由登月舱取样返回、载人登月、建立永久性的基地四、月球探测历史1、概述a.第一个飞越月球的探测器Luna 1b.第一个硬着月的探测器Luna 2c.首次在月球表面软着陆Luna-9d.第一个环月探测器Luna 10e.美国于1968年12月发射的Apollo 8，是第一艘载人的环月飞船；f.1970年7月20日，美国Apollo 11号载人飞船成功登月，并从月球带回21.7kg的土壤和岩石样品，这是人类首次踏上月球。2、美国新的载人探月计划a.建造新的飞船”乘员探索飞行器”(CEV)b.利用航天飞机的推进技术,研制新型运载火箭c.2

19、018年将4名宇航员送到月球3、中国的“嫦娥”探月计划a.第一步：于2007年发射环月探测卫星，对月球表面进行三维成像，探测近月空间环境，探测月球矿物分布；b.第二步：机器人在月球表面软着陆，对月球表面进行实地探测；c.第三步：从月球取样返回。行星探测（类地行星：水星、金星、地球、火星）一、类地行星的主要特征1、基本上是由岩石和金属组成2、固体表面，密度高3、自旋缓慢4、没有环5、卫星少二、类地行星研究关注的问题1、类地行星环境及其演变2、类地行星磁场的源3、火星上是否有水和生命三、水星Mercury1、水星的基本参数和表面形态水星基本参数和表面形态a.到太阳的距离：0.387AUb.与地球半

20、径之比：0.383c.与地球密度之比：0.984d.平均轨道速度：47.88km/se.公转周期：87.969天f.自转周期：58.646天，一个水星日2/3个水星年水星表面特征a.陨击坑：最大直径1300公里；b.盆地：在飞船所摄45%水星表面，辨认出35个直径大于200km的盆地；c.平原：平坦平原、坑际平原和多丘线状区；d.环行山、悬崖和谷。2、水星大气层a.表面气压约10-15bar(地球表面为1.013bar)；b.主要成分：He：42% Na：42% O2：15% 其它：1%;c.水星表面温度：最高温度：427、最低温度：-173、平均表面温度：1793、水星的磁场与磁层a.赤道表

21、面磁场约为地球的1%；b.水星的磁层比地球磁层小，磁层顶距水星中心仅1.3倍水星半径；c.水星没有电离层。4、水星研究关注的问题a.为什么水星的密度那样高？b.水星磁场的来源？c.水星的地质是怎样演变的？d.水星的极区有冰吗？e.水星的大气层有那些挥发性成分？f.水星没有电离层，磁场怎样与太阳风相互作用？5、水星探测a.探测器：水手10号、信使号b.探测水星的技术难点：飞船与水星的相对速度太大、飞船在日照时温度非常高、如何利用金星的引力助推作用四、金星Venus1、金星的基本参数a.到太阳的平均距离：0.723AUb.公转周期：224.701天自转周期：243.01天c.平均轨道速度：35.0

22、2km/sd.平均密度：地球的0.95 e.赤道半径：地球的0.95f.体积：地球的0.86 质量：地球的0.82g.金星的自转方向与地球相反2、金星表面特征a.表面平坦，除了少数高地区外，高程差很小（仅23km）b.高地（8%）c.低地（27%）d.起伏平原（65%）e.长的通道：宽1km4km，长120km。是岩溶流动流下的痕迹。f.圆形的山：7个圆顶形的山，平均直径25公里，最高750米。3、金星大气层a.表面气压: 92bar，是地球的92倍b.主要成分: CO2（96.5%) ，氮（3.5%）；c.次要成分: 水汽、二氧化硫等；d.大气中有气辉和闪电，但没有积雨云；e.有电离层和磁层

23、。f.金星的表面温度：.最高温度: 480C、表面温差不超过10度(温室效应强)4、金星探测探测器：“金星”（Venera）系列16艘、“水手”（Mariner）系列3艘、“维伽”（Vega）系列2艘、“先锋金星”（PioneerVenus）系列2艘、“探测器”（Zond）飞船1艘、“伽利略”（Galileo）飞船1艘、“麦哲伦”（Magellan）飞船1艘五、火星Mars1、火星的基本参数a.到太阳的距离：1.52AUb.直径：6794km(地球的0.533倍)c.密度（与地球之比）：0.713d.重力加速度（与地球之比）：0.377e.公转周期：686.98天f.自转周期：24h37m22

24、.6s2、表面形态a.激光高度计测量的结果，误差在13米之内；b.南半球平均高度在地形“海平面”之上13公里，北半球居“海平面”之下，且环行山稀少。c.塔西斯（Tarsis）隆起区：高达27km，横跨4000km。.有3个东北-西南向排列的盾形火山，间距约700km，直径为350400km。火山口深34km。d.太阳系最高的火山：奥林匹斯（Olympus）火山，高27km，直径550km，顶部火山口直径约80km。悬崖高6km以上，环绕在奥林匹斯底部。e.“水手”大峡谷：长4000km，宽600km，深7km。美国科罗拉多大峡谷长350km，最大深度1.7km,最大宽度29km。f.火星最大的盆地Hellas：长轴和短轴分别为2000和1600km，深4kmg.火星的极区：极区表面最上层是水冰和干冰以及尘埃的极冠，冰极冠下面是层