2025年大学《地球物理学》专业题库- 地球大气电磁活动研究

2025年大学《地球物理学》专业题库——地球大气电磁活动研究考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题1.大气中主要的自然电荷产生机制之一是大气中的放射性核素（如^40K）的衰变，这个过程主要产生？A.正离子和负离子B.仅正离子C.仅负离子D.电子和离子2.全球大气电场（GAEC）中，连接热带电离层（约200km）与赤道地区地表的电位差大约是多少？A.100伏特B.1000伏特C.10万伏特D.100万伏特3.大气电离层中，通常被称为“电离层顶”或反射高频无线电波的主要区域是？A.D层B.E层C.F层D.G层4.在全球大气电场模型中，被称为“尖端放电层”的是？A.赤道电离层B.极区电离层C.地表D.全球均匀分布5.极光主要发生在地球磁场的哪个区域？A.赤道附近B.低纬度地区C.极地附近D.中纬度地区6.大气中持续时间最短、频率最高的放电现象是？A.云闪B.地闪C.蓝闪D.虹闪7.能够产生极低频（VLF，3-30kHz）电磁辐射的地球物理现象主要是？A.大气中的静电积累B.雷电放电C.极区电离层骚扰D.全球大气电场的缓慢变化8.用于探测电离层电子密度垂直分布和总电子含量的主要技术是？A.VLF接收机B.超视距雷达（OTH）C.全球定位系统（GPS）/全球导航卫星系统（GNSS）D.磁力计9.在大气电磁学中，"场致流"（FieldAlignedCurrent,FAC）通常指的是？A.沿磁力线流动的电流B.垂直于磁力线流动的电流C.沿电场线流动的电流D.地表与电离层之间的电流10.大气电磁活动对地球物理研究的主要贡献之一是？A.直接导致全球气候变化B.为研究电离层和磁层耦合提供关键信息C.产生可听声波用于导航D.影响地表重力场二、填空题1.大气电导率随高度变化，通常在__________附近达到最小值，在电离层处显著增加。2.全球大气电场模型中，极区的高电导率区域被称为__________。3.极光现象是地球磁层、电离层和中性大气__________相互作用的直接表现。4.雷电放电过程中，主放电通道中电流上升的速度可达每秒__________千安培。5.观测到的全球大气电场总电流的大小约为__________安培。6.电离层对无线电波的传播具有__________作用，使得无线电波可以被远距离传输。7.利用雷电流产生的VLF脉冲信号进行定位的技术称为__________。8.大气电磁学研究中，__________层是产生极光和接收太阳宇宙射线的重要区域。9.极区亚暴期间，伴随磁暴和电离层骚扰，通常会产生强烈的__________（一种VLF/ULF电磁脉冲）。10.大气电磁现象，特别是雷电活动，对卫星导航系统（如GPS）的信号传播和接收会产生__________效应。三、简答题1.简述全球大气电场（GAEC）的基本结构，包括主要组成部分及其空间分布特征。2.简要说明极光是如何产生的，并列举至少两种主要的极光观测手段。3.描述大气中闪电放电的基本过程，并说明闪电产生的VLF/ULF信号有哪些特点。4.解释什么是电离层骚扰，并简述其可能对无线电通信造成的主要影响。四、计算题1.已知某地大气电导率随高度的分布近似为σ(h)=σ₀*exp(-h/H)，其中σ₀=2x10⁻¹⁴S/m，H=10km。假设地表电场强度E₀=100V/m。请估算该地电离层（假设高度h=100km）处的电场强度。(忽略尖端放电效应)2.假设一次闪电事件产生的峰值电流I_peak=30kA，主放电通道长度L=10km。如果该放电过程近似为指数衰减，时间常数τ=10µs。请计算该闪电过程产生的最大时变电流率（dI/dt）max。五、论述题结合大气电磁活动的相关知识，论述其作为一种自然现象，在地球物理学研究中具有哪些重要的科学意义和应用价值。试卷答案一、选择题1.A2.C3.C4.C5.C6.C7.B8.C9.A10.B二、填空题1.电离层顶（约100km）2.极区电导率层3.物理过程4.305.50006.反射7.闪电定位系统8.高层大气（或电离层）9.极区亚暴脉冲（PSP）10.电磁干扰（或干扰）三、简答题1.简述全球大气电场（GAEC）的基本结构，包括主要组成部分及其空间分布特征。答：GAEC由三个主要部分组成：连接热带电离层（约200km）与赤道近地面的电位差（约100万伏特）；沿磁力线从极区流经电离层的场致流（约5000安培）；以及赤道附近地表与热带电离层之间的电流（约5000安培）。其结构表现为赤道地区地表带正电，热带电离层带负电，形成一个巨大的电偶极子。2.简要说明极光是如何产生的，并列举至少两种主要的极光观测手段。答：极光产生于地球磁层捕获的高能带电粒子（主要是电子和质子）沿磁力线进入地球高层大气（电离层以上），与大气中的中性分子（如O₂、N₂）发生碰撞，使大气分子激发并随后返回基态时发出光子而形成。主要的观测手段包括：地面观测（使用光电成像设备拍摄极光图像、测量光强和光谱）；空间观测（使用卫星上的成像仪、光谱仪和粒子探测器进行综合观测）。3.描述大气中闪电放电的基本过程，并说明闪电产生的VLF/ULF信号有哪些特点。答：闪电放电过程通常分为几个阶段：先导发展（从云底或地面发起的阶梯式放电）、先导与先导/地之间的回击（主放电，速度极快，产生大部分光和热）、多次回击（主放电后的多次重复放电）。闪电通道中快速变化的巨大电流（峰值可达数十千安培，上升时间微秒级）会像天线一样辐射出宽频带的电磁波，其中VLF（3-30kHz）和ULF（<3kHz）频段的信号尤为强烈。这些信号的特点是：频率低、衰减慢、传播距离远（可环绕地球传播）、包含丰富的闪电活动信息。4.解释什么是电离层骚扰，并简述其可能对无线电通信造成的主要影响。答：电离层骚扰是指由太阳活动（如太阳耀斑、日冕物质抛射）或地球内部活动引起的电离层参数（如电子密度、温度、等离子体频率）的短期剧烈变化。这些变化会改变无线电波在电离层中的反射和折射特性。对无线电通信的主要影响包括：引起短波通信衰落、中断甚至完全失效；导致GPS等导航定位信号传播延迟、闪烁、失锁；干扰甚低频通信等。四、计算题1.已知某地大气电导率随高度的分布近似为σ(h)=σ₀*exp(-h/H)，其中σ₀=2x10⁻¹⁴S/m，H=10km。假设地表电场强度E₀=100V/m。请估算该地电离层（假设高度h=100km）处的电场强度。(忽略尖端放电效应)解：在稳态条件下，电场强度E与电导率σ成反比，即E∝1/σ。因此，地表电场E₀与电离层电场E₁的比值等于电离层高度电导率σ₁与地表电导率σ₀的比值：E₁/E₀=σ₀/σ₁。将σ(h)=σ₀*exp(-h/H)代入，得到E₁/E₀=exp(h/H)。代入h=100km,H=10km，计算得E₁/E₀=exp(100/10)=exp(10)≈22026。所以E₁≈E₀*22026≈100V/m*22026≈2.2x10⁶V/m。答案约为2.2x10⁶V/m。2.假设一次闪电事件产生的峰值电流I_peak=30kA，主放电通道长度L=10km。如果该放电过程近似为指数衰减，时间常数τ=10µs。请计算该闪电过程产生的最大时变电流率（dI/dt）max。解：放电过程近似为指数衰减，电流随时间变化的关系为I(t)=I_peak*exp(-t/τ)。时变电流率dI/dt=d/dt[I_peak*exp(-t/τ)]=-(I_peak/τ)*exp(-t/τ)。最大时变电流率发生在t=0的时刻，此时exp(-t/τ)=exp(0)=1。因