第一章地球的空间动力学环境

第一章地球的空间动力学环境第一节比较行星学第二节地球空间电磁环境第一节比较行星学

ComparativePlanetology人类对地球的认识的飞跃，一方面来自对地球自身特别是其深部过程的了解，另一方面来自人造卫星和各种行星探测器获得了丰富的全新的资料。从更广阔的角度来观察和了解地球，把地球作为太阳系的行星之一，与其它行星作比较和研究。在太阳系中，类地行星（水星、金星、火星，以及地球的卫星月球），与地球更为相似。另外，大行星的一些卫星，也有可比拟之处。对它们的研究，对地球动力学研究很有启发和借鉴。比较行星学比较行星学是天文学、地球科学、空间科学和空间探测交叉渗透产生的一门新兴学科；它以地球科学的研究为基础，将地球置于太阳系的时空尺度里；对比研究太阳系各类天体（重点为类地行星）的物质组成、大气层的成分与结构、空间与表面环境、地形地貌与地质构造、内部结构与物理场等共性与特性，综合分析研究地球、各行星和整个太阳系的形成演化特点与规律。太阳系和行星太阳系：由太阳、行星及其卫星、小行星、彗星和行星际物质组成的一个天体系统。行星类地行星：水星、金星、火星，地球相对质量小、体积小、密度高、旋转慢、卫星少甚至没有、挥发性元素丰度较低，具有固体岩石表面，可用地质学的方法进行研究。类木行星：木星、土星、天王星、海王星、冥王星（2006年剔除）主要由氢、氦和其他轻元素组成，它们质量大、体积大、密度低、旋转快、卫星多、挥发性元素丰度很高。冥王星是一个小的石质行星，具有独特的运动轨道和物理化学性质。1.1太阳系类地行星和

类木行星水星金星地球火星木星土星天王星海王星密度质量水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星波德定律

行星N预测日心距实测日心距水星43.9金星04+3=77.2地球14+3X21=1010.0火星24+3X22=1615.2小行星34+3X23=2827.7木星44+3X24=5252.6土星54+3X25=10095.5天王星64+3X26=196192.0海王星74+3X27=388300.7(冥王星)84+3X28=772395.2到太阳距离轨道偏心率2006年，国际天文联合会，立下了行星的新定义：一颗行星首先要是一个天体，它满足(a)围绕太阳运转，(b)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(c)清空了所在轨道上的其他天体。比较行星学太阳系类地行星：水星、金星、火星，以及地球的卫星月球类木行星：木星、土星、天王星、海王星太阳系各星体大体在同一时刻有共同起源，有特点，又有共同点。组成、内部构造和外部特征由各自的形成过程和随后的地质过程所形成和改变的。地质过程由物质和能量两方面决定。当今，太阳系探测的6个重点领域是：（1）月球探测；（2）火星探测；（3）水星与金星的探测；（4）巨行星及其卫星的探测；（5）小行星探测；（6）彗星的探测。类地行星水星金星地球（月球）火星1.2水星Mercury取自信使神太空船的水星合成影像水星Mercury几乎没有大气层(p<0.003大气压)。表面很象月球，充满了不同大小的环形山和洼地。陨石冲击期比月球火山活动强烈。有一些延伸20-500km，高几百米到3km的悬崖，可能是冷却收缩而产生的构造，其形成时间比较古老。高地和洼地反射率相近而为浅色，与月球不同。水星的平均密度为5440kg/m3，高密度表明它可能有一个被硅酸岩石覆盖的巨大铁核。水星有磁场，相对它的大小来说磁场是很强的，可能源于核的液体部分的发电机作用。

撞击盆地和坑穴信使号飞越水星的第二张影像。柯伊伯撞击坑刚好位于中央。广泛的射纹系统来自顶部附近的北斋撞击坑。水星的卡洛里盆地是在太阳系内最大的撞击特征之一。水星磁场水星仍有值得注意的全球性磁场。强度仅有地球的1.1%。像地球一样，水星的磁场是双极的。这个磁场可能是经由发电机效应形成的，有些类似于地球的磁场。1.3金星Venus经过处理后的金星图像。其表面被一层厚厚的云遮盖着。金星Venus大小、整体质量和密度都与地球相似。公转周期225日，以243天周期逆行自转，一金星日相当117地球日。有主要为CO2构成的浓密的大气层，表面大气压接近10MPa（90大气压），表面温度达480C。（铅可以熔化），水蒸汽含量微不足道。云层迅速运动（4日环金星旋转一周）。尽管大小与地球相似，也有铁核，可没有全球性磁场。（可能自转太慢的原因）雷达测高表明有平原和高地，高地为大面积隆起，有的面积相当两个青藏高原。有地山脉高于平均半径12km。有构造运动，有火山活动，有陨石冲击，但没有板块构造。表面3－5亿年玄武岩浆重新更新。金星地形在金星表面的大平原上有两个主要的大陆状高地。北边的高地叫伊师塔地，拥有金星最高的麦克斯韦山脉（大约比喜马拉雅山高出两千米），大约有澳大利亚那么大。南半球有更大的阿佛洛狄忒陆，面积与南美洲相当。火山活动垂直方向被放大了22.5倍的马特山撞击坑在金星表面的撞击坑（影像由雷达数据重建）陨坑裂谷1.5火星Mars火星MarsLowell曾发现运河、极冠，火星人成为科学幻想小说主题。大气压为5-7mbar，海盗着陆点夏季平均温度为-60C，冬季为-120C。地形极复杂，可分为古老地形(高地)、经改造的地形(平原、运河、沟槽地形等)，火山地形，及极地地形等。最大的火山直径600km，高8km，远大于Hawaii。鲜明的水流痕迹。人们曾经认为河道是古老的痕迹，但现发现新老皆有。火星地质条件火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布，没有稳定的液态水体。二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，每年常有尘暴发生。与地球相比，地质活动不活跃。火星地表地貌大部份于远古较活跃的时期形成，充满撞击坑，有密布的陨石坑、火山与峡谷，包括太阳系最高的山：奥林帕斯山和最大的峡谷：水手号峡谷。另一个独特的特征是南北半球的明显差别：南方是古老、充满陨石坑的高地，北方则是较年轻的平原，两极皆有主要以水冰组成的极冠，而上覆的干冰会随季节消长。火星地形古瑟夫撞击坑充满沙石的地表Endurance撞击坑中的沙丘火山EnormousShieldVolcanoesOlympusMonsis600kmacrossitsbaseandabout25kmabovethesurroundingplain.火星探测的科学目标进一步探测近火星空间和火星表面的环境，包括火星磁层、电离层、磁场和重力场的特征；检测火星大气层的结构、成分，气象和气候特征及其变化特征，寻找过去气候变化的证据，研究火星气象与气候的演化历史及未来变化趋势；精细探测火星地形、地貌、地质构造，土壤与岩石的矿物与化学成分特征，特别是沉积岩的分布范围、形成的相对年龄，研究火星水体产生、演化与消失过程的探测与研究；火星内部结构的探测及与地球的对比研究，探讨类地行星的演化史；寻找火星曾经发育过生命的证据；探测火星上可能存在的可利用资源；在火星上建立观察站和实验室的探索研究。1.6Moon月球从地球的北半球看见的刚过满月的月球。月球结构月球是一个已经分异的天体，即它拥有地壳、地幔、和核心。地壳的平均厚度约为50公里。内核富含固态铁，半径大约为240公里。此外还有一个流体的外核，主要成分是液态铁，半径大约为300公里。地球的卫星-月球月球上有“海”、高地、环形山等。海为暗色，岩石富Ca、Al。高地为亮色，富Fe、Mg等。多数矿物与地球相同，但无水，无游离氧。月表复盖月壤，厚1-10m。为陨石、宇宙尘和宇宙射线的产物。60km月壳，下为月幔，可能有核。月震发生在800-1000km深部，每年约3000次。由潮汐力引起。月震年释放能量仅为地震的100亿分之一。也记到10kg以上的陨石冲击，每年约70-150次。1964到1969年先后有10次空间探测器，1969年Apollo-11在月球登陆后，人类又9次登月取样，得到381.3kg月岩样品。最年轻的熔岩(海)31-38亿年，高地年龄为40-43亿年，熔融分异估计在44亿年前，钕-钐法定最老的绿色岩46亿年。最初几百万年月球表面可能全部熔化，然后外壳冷却，31-38亿年岩浆活动，现在已成为死的星球。海下有高密度体(质瘤)，冷而强的月体可以支持，几乎没有磁场。月球地形在月球表面上用肉眼可以清楚看见有黑暗的，相对平坦的平原，称之为月海。月球上较亮的部分被称为“高地”，因为它们高于大多数的月海。另一个会影响月球表面地形的主要地质事件是撞击坑。高地海月球重力和磁场月球的重力是地球的六分之一。月球重力场主要的特征是拥有质量瘤，即在一些巨大的撞击盆地却反而出现较重的重力分布，这可能与组成这些盆地的玄武岩熔岩流密度较大有关系。月球拥有一个强度不到地球磁场百分之一，范围在1至数百nT之间的外在磁场。月球上已被发现有类似质量瘤的异常的磁场区。月球的磁场并不是由液体金属核心产生的，而可能是在月球演化的历史早期被磁化而一直保留至今的地壳磁场。位于史密斯海的测绘图（上图）及对应之引力图（下图），这个地方有一个和地形相反的质量瘤。登月1.7Jupiter木星木星的彩色卡西尼合成影像。星球上黑点为木卫二的阴影。木星木星是一个巨大的液态行星，最外层是木星的大气。木星的大气组成中，按分子数量来看，81%是氢气，18%是氦气，按质量则分别是75%和24%。形状由于自转快速而呈现扁球体（赤道附近有略微但明显可见的凸起）。外大气层明确依纬度分为多个带域，各带域相接的边际容易出现乱流和风暴。最显著的例子是大红斑，最晚在17世纪时人们便以望远镜首度发现它的存在。环绕着行星的是松弱的行星环系统和强大的磁层。木星具有比地球强大14倍的磁场，从在赤道的4.2高斯到在两极的10-14高斯，使之成为太阳系（除太阳黑子）中最强的磁场。这个磁场被认为是由液体金属氢内核内的导电物质涡流运动涡电流产生的。木星至少有67个卫星，其中有4个主要卫星，1610年由伽利略发现，合称伽利略卫星。卫星中体积最大的木卫3直径甚至大于水星。大红斑液态金属氢液态分子氢木星环光环系统是太阳系巨行星的一个共同特征，主要由细小的尘埃和雪团等物质组成。和冰组成的绚烂多姿的土星光环相比，木星的光环则显得黯淡了很多，但也可以分成四圈。木星起码有十六颗卫星，1979年旅行者拍的主要的四颗卫星照片使人们可分辨它们表面600米的特征。木卫1-Io木卫2-Europa木卫3-Ganymede木卫4-Callisto木星卫星1.8土星Saturn土星环1.9天王星Uranus1.10海王星Neptune比较行星学太阳系各星体大体在同一时刻有共同起源，有特点，又有共同点。组成、内部构造和外部特征由各自的形成过程和随后的地质过程所形成和改变的。地质过程由物质和能量两方面决定。对物质的描述包括化学组成、质量和大小，它们影响天体的熔点、强度、产热、传热和冷却特性。化学组成、质量和大小与它们到太阳的距离有明显的关系。推动行星内部动力过程的主要能源是热能，包括行星凝聚形成时重力位能转化的原始热能、放射性元素（包括一些短半衰期放射性元素）产热、核幔分异放热、内核凝固释放潜热等。

陨星撞击、物质分异、火山和构造运动几乎在所有行星和卫星上发生。大气及其它液体的物理和化学作用在有些行星和卫星上也至关重要。

类地行星大气层与水体的形成与演化过程的比较大气层是包裹在行星最外层的气体物质，它提供了关于行星内部的平均组成、形成模式。大气层与水体的起源和演化是研究行星演化历史的重要线索。行星质量的大小及与太阳的距离对行星大气层和水体发育的制约。地球和金星质量最大，逃逸速度最大，可将更多的气体“束缚”在它们表面，因此它们的大气有着复杂的组成和较大的密度。火星质量较小，逃逸速度不到地球的一半，在漫长的演化历史中，大气逐渐逸散进入太空，大气密度变得很稀薄。水星质量更小，而且最靠近太阳，不仅太阳风的驱赶作用强烈，而且表面温度高，气体分子的热运动更加剧烈，加剧了大气的逸散，所以水星的大气层极为稀薄，并且主要为太阳风成分。月球质量最小，几乎没有大气层，更没有水体的发育。类地行星地形地貌与地质构造的共性与特性的比较对类地行星及卫星的地貌、表土成分与结构、地层与地质构造的探测研究表明，行星表面布满各种撞击坑、火山地形与熔岩流、线性与环形构造，构成了行星表面的特有景观与地层-构造体系。强烈的火山活动和持续的撞击作用，是太阳系行星早期历史的共同特征。行星的质量主导着行星内营力作用，而行星与太阳的距离控制着外营力过程，内外营力的结合构成了各行星的表层特征。（1）质量小的行星在表面能保持古老的火山地形和撞击形成的盆地、环形撞击坑等。水星早期发生了几乎完全的熔融，产生过剧烈的构造岩浆和火山活动，并分异成壳、幔和核。在此后的5亿年里，核和幔逐渐冷却，外壳处于挤压状态。由于星体的收缩，水星发育了全球性的断裂体系。水星表面很像月球，布满了大小不等的撞击坑（环形山）和盆地。月球在距今31.5亿年前，水星可能在距今15~20亿年前，基本上终结了构造岩浆和火山活动。（2）质量大的行星，形成后受到急剧的加热，早期产生过全球性的强烈的构造岩浆活动，行星内部的物质熔融、分异、调整现今仍在持续进行，核、幔、壳的相互作用，构造运动、岩浆活动至今仍保持明显的活跃。金星表面没有水体的发育，广泛的火山活动产生了大量火山熔岩，最古老的地质单元的形成年龄大约为8亿年。金星现在还有火山活动，但热点不多。（3）火星介于两者之间，具有过渡型的性质，早期构造岩浆活动剧烈，内部物质分异调整尚不充分。内部热能的积累与失散也介于水星和地球之间。火星和地球两个行星之间主要的差别是构造运动的差异，火星的壳是固定的，缺乏板块运动的特征。火星地壳的动力学与地球完全不同，尽管火星历史的大部分时期都有火山活动和构造运动，但岩石圈并不与下伏的软流圈发生物质循环。类地行星的热历史与内部结构的比较根据类地行星热历史的研究，行星的质量大小与行星内部活动的“寿命”正相关，与行星冷却固化的时间反相关。太阳系探测的成果表明，地球具有典型的偶极子磁场，表明内部具有带电流体的运动；火星则是多极子磁场，表明内部具有多区域性的带电流体的运动；而月球已经基本上丧失了原有的全球性偶极子磁场，是一个内部固化的、僵死的天体。看来，类地行星磁场的演化必然遵循由偶极子磁场向多极子磁场进一步向消失磁场的过程演化。小结行星的质量大小决定了行星内部能量的产生、积累与传导，制约了行星内部圈层结构的构成，主导了行星的岩浆活动与演化能力，影响了行星大气层和水体的发育。行星与太阳的距离，决定了行星整体的初始成分，制约了行星的空间环境、表面大气层和水体的发育、表生地质作用过程与表面环境。质量小的类地行星（水星、月球），形成后受到急剧加热，早期构造火山活动剧烈，并分异成壳、幔和核，但内部物质分异调整不充分。质量大的类地行星（地球、金星）形成后受到急剧加热，产生强烈的构造岩浆作用与火山活动。行星内部物质持续分异，壳、幔和核仍在形成演化中。行星仍保持明显的构造岩浆与火山活动。目前除地球外没有发现其他行星与卫星具有板块构造，也许海底扩张、大陆漂移与板块运动是地球特有的地质演化特征。第二节地球空间电磁环境Wherearewe?

我们所在的太阳系离银河中心大约28000光年，太阳是银河系中一个普通的恒星。太阳是离人类最近的恒星，是地球上除了原子能以外的其它能源的直接和间接创造者。日地空间环境在很大程度上由太阳电磁波辐射和粒子辐射性质决定。太阳爆发现象在地球磁层附近会引起一系列的地球物理现象。SunHeliosphere

（日球层)磁层电离层高层大气Planets日地系统Solar-Terrestrialsystem太阳电磁辐射太阳风等离子体行星际磁场太阳高能粒子银河宇宙线日冕物质抛射电磁辐射粒子辐射Solar-Terrestrialsystem太阳风(Solarwind)由于日冕的超声速膨胀,太阳把高度导电的等离子体以约500km/s的超声速度发射到行星际空间.这种等离子体太阳风(Solarwind),主要由电子和质子组成,也混合了约5%的氦离子.由于它的高导电性能,太阳磁场被冻结在太阳风里且被膨胀的太阳风拖着向外运动.2.1日地空间的基本结构舷激波和磁鞘当太阳风遇到地球偶极磁场时不可能简单地穿透进来,而是被减速下来,并在相当大的空间范围内绕流过地磁场.由于太阳风以超声速冲击障碍物,就产生了所谓舷激波(bowshock),这里等离子体被减速,粒子动能的一部分转换为热能.在舷激波后面被加热过的亚声速等离子体区称为磁鞘(magnetosheath)日地空间的基本结构磁层(magnetosphere)在磁鞘里激波下游的太阳风等离子体不容易穿透进入地球磁场,而多数是绕流过它,这是由于行星际磁场不能穿透进入地球磁场,且由于太阳风高导电等离子体的冻结特征使它的粒子也不能离开行星际磁场.把太阳风和地球磁场分离开的边界称为磁层顶(magnetopause),而由地球磁场所产生的空穴(cavity)被称为磁层(magnetosphere)太阳风的动压使地球磁场的靠外部分发生了崎变,在其前边磁场被压缩,而夜侧磁场则被拉长成一个长长的到达月球轨道以远的磁尾(magnetotail).日地空间的基本结构PlanetMagnetosphere磁层ElectricCurrentsinMagnetosphere辐射带(radiationbelt)，在地球周围一定的空间范围内存在大量的被地磁场捕获的高能（200keV－几十MeV）带电粒子，此捕获区被称为辐射带。地球辐射带由内辐射带和外辐射带组成。内辐射带主要由高能质子构成，距地面较近，在赤道面上分布在地心距离1.1-3.3地球半径的范围内。外辐射带主要由高能电子构成，距地面较远，在赤道面上分布在地心距离3-9个地球半径范围内，中心区高度约为4个地球半径。日地空间的基本结构但在南大西洋巴西海岸附近，内辐射带可以降到250公里左右。这称之为南大西洋异常区（SouthAtlanticAnomaly）。等离子体层是一个在辐射带内部的环形球状体,它包含较冷而稠密的电离层来源的等离子体，它与地球共转.在赤道面上,等离子体层延伸到约4Re左右的边界,这里电子密度急剧下降到1cm－3

左右,该边界称为等离子体层顶(plasmapause).日地空间的基本结构lobe电离层(ionosphere)照射到地球大气层的太阳紫外线使部分中性大气层电离.在约80km以上高度,迅速产生复合的碰撞很不频繁,形成永久电离的粒子群,称为电离层.电离层延伸到相当高的高度上,在低纬和中纬逐渐合并为等离子体层。日地空间的基本结构lobe根据无线电工程师学会(IRE)定义，电离层是指距地球地面约60km到1000km左右高度之间的区域，在该区域存在大量的离化粒子(电子和离子)，足以影响无线电波的传播。换言之，电离层是离化的大气层。电离层(Ionosphere)来自太阳的电磁辐射太阳风与磁层带电粒子地面和大气层扰动电离层的外部作用因素来自太阳的电磁辐射太阳风与磁层带电粒子地面和大气层扰动电离层的外部作用因素Equatorialandlow-latitudesystemPolarandhigh-latitudesystemCouplingsystembetweenhigh&lowlatitudes电离层耦合系统空间天气研究系统中的电离层表.一些地球物理等离子体区的典型参数

磁层空间暴包括磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴。磁层亚暴是磁层中巨大能量的释放过程，包括电离层亚暴、极光亚暴、磁亚暴和热层亚暴，可引起整个磁层和电离层的剧烈扰动。磁层亚暴约每天发生3－4次，每个磁层亚暴释放的能量相当于一个中等地震的能量。磁暴是强环电流引起的全球性的磁场活动，可引起全球性的电离层和高层大气扰动，每次磁暴可持续十几小时到两天。磁层粒子暴是近地磁层各类粒子爆发性增强事件，对航天活动有重要影响。

激发磁层空间暴的最终来源是太阳。2.2磁层空间暴

当太阳风与磁层的相互耦合增强、时间延长时，地磁活动增强并将发展成磁暴。磁暴过程可以分为初相，主相和恢复相。典型的磁暴将持续1－5天。初相的长度不确定，可以从0到25小时以上。主相持续大约一天，恢复相可能会持续许多天。Dst在50－150nT量级的磁暴几乎每个月都发生，扰动在150－300nT的情况每年能发生几次，而超过500nT的情况每个太阳周内只有几次。1.磁暴磁暴通过研究磁暴主相期间扰动场的空间分布发现，扰动场在全球几乎是均布的，其方向平行于地球的偶极轴（即向南）。这样的扰动是由环绕地球的电流产生的，这种电流称为环电流。环电流是由位于3－5RE范围内，沿VanAllen辐射带漂移的带电粒子形成的。初相是由磁层顶电流造成的，太阳风动压的增加使磁层顶电流加大并靠近地球，其产生的扰动场在地面上指向北。恢复相是由于辐射带中的粒子损失，环电流的强度下降所形成的。

当IMF出现南向分量，由太阳风流入磁层的能量增加时，这些能量储存在地球磁尾，一旦有大的扰动，会以剧烈的形式释放出来，引起磁层、电离层内发生剧烈的有序变化，这称为亚暴。亚暴最为显著的表现是极光。亚暴期间，平静的极光弧突然发出耀眼的光彩。在大约一小时的时间内，极光经历一系列与时间和地点相关的有序演变。伴随着极光，也产生了磁扰。典型的扰动幅度为200－2,000nT，持续时间为1－3小时。

2.亚暴

极光就象一面镜子或电视机的荧光屏，反映出磁层的活动情况。

在一个典型的孤立亚暴期间，相应于极光电流系统，磁层的磁场、等离子体经历了一系列明显的变化。在磁层中亚暴有三个相，增长相，膨胀相和恢复相。目前关于亚暴模型有很多，但其中最重要的两个模式是近地中性线(NENL)模式和电流片中断模式。EnergydissipationMagnetosphereIonosphereEnergeticparticleacceleration

Plasmasheetheating

Ringcurrentinjections

PlasmoidformationJouleheating

Particleprecipitation

[Auroralluminosity]

[Kilometricradiation亚暴磁层粒子暴是指磁层空间伴随磁暴和亚暴而产生的各种突发性粒子事件。其中最重要的对航天活动有重要影响的有磁层相对论电子事件，极光亚暴粒子事件和同步轨道粒子注入事件等。3.磁层粒子暴：粒子事件2.3太阳风暴来自于太阳的日冕物质抛射（太阳风暴）对地球空间有巨大的影响。太阳风暴会在地球空间激发大磁暴。从而使地球磁层，电离层和中高层大气发生剧烈变化。在太阳风暴驱动磁暴过程中产生的辐射带高能粒子和太阳风暴直接加速产生高能粒子充满着地球辐射带，不仅会使高能粒子通量显著增长（10－100倍），而且还会改变整个辐射带的结构和位置，从而对在轨航天器产生巨大危害。2.4空间等离子体基本理论什么是空间等离子体？自然界由物质组成，一切物质都处于永不停息的运动中。物质存在的形态等离子体是由大量正、负电荷数相等的带电粒子组成的非凝聚系统。等离子体状态是物质存在的基本形态之一，与固态、液态和气态并列，称为物质的第四态。宇宙中大部分物质处于等离子体状态，人造等离子体在科学技术中的重要性正在迅速提高。等离子体物理学研究等离子体的基本运动规律。等离子体的主要特征是：粒子间存在长程库仑（Coulomb）相互作用。等离子体的运动与电磁场的运动紧密耦合，存在极其丰富的集体效应（collectiveeffect）和集体运动模式。等离子体物理学以等离子体的整体形态和集体运动规律、等离子体与电磁场及