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空間環(huán)境科學(xué)第1頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一空間環(huán)境科學(xué)一、空間環(huán)境科學(xué)概述
環(huán)境是指圍繞著人類的外部世界。是人類賴以生存和發(fā)展的社會(huì)和物質(zhì)條件的綜合體。可分為自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境。
研究環(huán)境的目的是利用環(huán)境,空間環(huán)境也不例外,利用空間環(huán)境為人類造福也是研究的重要目的。2第2頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一
中性大氣對(duì)航天活動(dòng)的影響:一是對(duì)航天器飛行軌道的影響。二是中性大氣中的原子氧成分對(duì)航天器表面的腐蝕作用。1.中性大氣環(huán)境
二、空間環(huán)境要素
2.電離氣體——等離子體環(huán)境
等離子體是由等量的電子和正離子組成的氣體,它和固體、液體、中性氣體并稱為物質(zhì)的四態(tài)。等離子體是宇宙的主要成分,占宇宙物質(zhì)的99%以上。3第3頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一
高能帶電粒子是指能量極高的電子、質(zhì)子、離子和原子核。3.高能帶電粒子環(huán)境
來(lái)源于太陽(yáng)的高能帶電粒子又稱太陽(yáng)宇宙線。
磁場(chǎng)能控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng),在空間環(huán)境過(guò)程中磁場(chǎng)起很重要的作用。4.磁場(chǎng)環(huán)境
空間的電磁輻射主要來(lái)自太陽(yáng),它有很寬的能譜,從波長(zhǎng)很長(zhǎng)的無(wú)線電波到能量很高的γ輻射。5.電磁輻射環(huán)境4第4頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一
空間天然的固體微粒是流星體,空間碎片是人為遺棄在空間的物體。6.固體微粒環(huán)境
三、空間環(huán)境分區(qū)
空太陽(yáng)表面連續(xù)噴發(fā)出的等離子體以每秒數(shù)百公里到一千多公里的速度吹向地球,充斥整個(gè)日地空間,被稱為“太陽(yáng)風(fēng)”,它所攜帶的太陽(yáng)表面磁場(chǎng)形成了行星際磁場(chǎng)。1.太陽(yáng)風(fēng)和行星際磁場(chǎng)
目前空間環(huán)境科學(xué)研究的空間范圍主要是太陽(yáng)和地球之間的空間,一般稱為日地空間。5第5頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一6第6頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一地磁場(chǎng)的分布近似為偶極子磁場(chǎng),地球磁場(chǎng)不是平面磁場(chǎng),它的邊界不是平面,而是形成一個(gè)被太陽(yáng)風(fēng)包圍的區(qū)域,稱為“磁層”。在磁層內(nèi)磁場(chǎng)被壓縮,太陽(yáng)風(fēng)不能進(jìn)入,在磁層外是太陽(yáng)風(fēng),地磁場(chǎng)被屏蔽,它們之間的界面為“磁層頂”。磁層形狀大致如圖6-3。2.地球的磁場(chǎng)和磁層7第7頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一整個(gè)大氣層按照它的物理性質(zhì)可分為對(duì)流層、平流層、中間層、熱層和外逸層;按大氣成份可分為均質(zhì)層、非均質(zhì)層和外逸層。
對(duì)流層最靠近地面,它的主要特征是大氣的對(duì)流強(qiáng)烈,在對(duì)流層內(nèi),高度越高,溫度越低。3.地球大氣8第8頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一
平流層內(nèi)大氣比較平穩(wěn),溫度隨高度的增加而增加,臭氧層是平流層內(nèi)的一個(gè)層次。
中間層里大氣溫度再次隨高度的增加而降低,它的特點(diǎn)是光化反應(yīng)十分強(qiáng)烈,發(fā)生各種發(fā)光現(xiàn)象。平流層和中間層以合稱中層。
熱層其溫度又一次隨高度迅速增加,熱層變化十分復(fù)雜,因?yàn)橛绊憻釋拥囊蛩胤浅6啵涣硗庠跓釋禹敎囟扔众呌诜€(wěn)定,不再隨高度變化。
均質(zhì)層是指從地面到大約80km高度范圍內(nèi)的大氣,大氣的成分基本相同,平均分子量不隨高度變化。9第9頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一非均質(zhì)層成分隨高度有明顯的變化,主要成份為氮分子、氧原子、氦、氫等,平均分子量隨高度逐漸降低。
外逸層大氣的最外層,這里的大氣已經(jīng)十分稀薄,分子之間的碰撞可以忽略,如果分子的熱運(yùn)動(dòng)速度足夠大,它就有可能擺脫地球的引力而飛向宇宙空間。另外,高層大氣中一部分氣體分子被電離,由這部分離子和電子組成了電離層。空間物理學(xué)研究的另一部分是地外空間,包括地球磁場(chǎng)、太陽(yáng)的粒子輻射和太陽(yáng)風(fēng)和地磁場(chǎng)的相互作用(磁層)。10第10頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一四、空間環(huán)境探測(cè)
1.空間環(huán)境探測(cè)的手段
地基探測(cè)是將探測(cè)設(shè)備安放在地球表面對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行的探測(cè)。(1)地基探測(cè)
特點(diǎn):長(zhǎng)期定點(diǎn)連續(xù)探測(cè);隨地球運(yùn)動(dòng)過(guò)程可對(duì)一定的時(shí)間和空間范圍進(jìn)行探測(cè);可以按需要組網(wǎng);易維護(hù)、成本低;遙感方式受大氣的影響。
火箭探測(cè)是近地空間探測(cè)的重要手段之一,它能把探測(cè)儀器帶到一百至幾千公里的高空進(jìn)行測(cè)量。(2)火箭探測(cè)11第11頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一
天基探測(cè)是指以衛(wèi)星和其他軌道上的航天器為載體,在空間進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,或者用遙感的方法進(jìn)行的成像觀測(cè)。(3)天基探測(cè)
特點(diǎn):直接探測(cè);受航天技術(shù)制約,費(fèi)用昂貴,研制周期長(zhǎng);高空間分辨率;對(duì)太陽(yáng)的遙感成像不受大氣的干擾;大視野成像觀測(cè)。2.中性大氣探測(cè)
在數(shù)百公里高度處的高層大氣雖然已經(jīng)十分稀薄,但是對(duì)航天器的軌道仍然有阻尼作用,是航天器最后隕落的主要原因。12第12頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一中性大氣的直接探測(cè)多采用電離真空規(guī)。它是一種通過(guò)對(duì)環(huán)境大氣收集取樣并用電離真空規(guī)測(cè)量大氣壓力換算大氣密度的方法。高層中性大氣成分探測(cè)主要采用質(zhì)譜計(jì)的方法。質(zhì)譜計(jì)通常用電子束離化大氣中的氣體樣品,再分析所產(chǎn)生的離子并測(cè)定樣品中包含的各種成分的濃度。3.中性大氣探測(cè)
一種是電波法,即利用空間等離子體對(duì)通過(guò)它傳播的電波的效應(yīng)進(jìn)行相關(guān)測(cè)量,給出空間等離子體的有關(guān)參量的探測(cè)空間等離子體的方法。兩種測(cè)量方法:13第13頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一
目前帶電粒子的探測(cè)主要是利用它和物質(zhì)相互作用時(shí)發(fā)生的電離、激發(fā)效應(yīng)和切倫柯夫輻射。
依據(jù)所應(yīng)用的原理,電波法又可以劃分為短波雷達(dá)類、信標(biāo)類、散射雷達(dá)類等。
另一種是探針?lè)?,它從環(huán)境中得到電子或離子,由于電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子,且粒子能量相當(dāng)?shù)?,故產(chǎn)生的電流取決于探針?biāo)幍沫h(huán)境及所加電位。它可用來(lái)測(cè)量等離子體的電子密度、電子溫度及離子參量。4.高能帶電粒子探測(cè)14第14頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一
常用的磁場(chǎng)探測(cè)儀器有磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)、探測(cè)線圈、質(zhì)子旋進(jìn)磁強(qiáng)計(jì)、光泵磁強(qiáng)計(jì)。5.空間磁場(chǎng)探測(cè)
它們基本上可由地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)等常規(guī)性儀器探測(cè)、追蹤并予以編目。6.空間碎片和微流星體探測(cè)五、空間環(huán)境模式研究
1.目的和意義
編制空間環(huán)境分布模式的目的是用簡(jiǎn)單實(shí)用的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述空間環(huán)境的平均分布狀態(tài)。15第15頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一
空間環(huán)境分布模式是以實(shí)際的探測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)編制的。2.方法
早期的高層大氣數(shù)據(jù)主要靠衛(wèi)星軌道反演的方法得到。3.高層大氣模式
另一種模式是依據(jù)衛(wèi)星和火箭攜帶的質(zhì)譜計(jì)進(jìn)行的直接測(cè)量和地面非相干散射雷達(dá)測(cè)量的結(jié)果建立的,稱為MSIS模式。
MET模式是NASA馬歇爾飛行中心工程用熱層模式。16第16頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一空國(guó)際參考電離層(IRI)是一個(gè)全球的電離層經(jīng)驗(yàn)?zāi)J?。它是利用全球地面分布著的幾百個(gè)電離層觀測(cè)站的長(zhǎng)期觀測(cè)資料及衛(wèi)星觀測(cè)資料,由國(guó)際無(wú)線電科聯(lián)和空間研究委員會(huì)(URSI/COSPAR)聯(lián)合從20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始發(fā)展建立的。4.電離層模式5.高能帶電粒子模式單向積分通量定義為空間的單位面積上、在單位時(shí)間內(nèi)、來(lái)自某一方向的單位立體角內(nèi)、能量大于給定值的粒子數(shù)目:粒子/厘米2·秒·單位立體角。(1)單位
17第17頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一
全向積分通量定義為空間的單位面積上、在單位時(shí)間內(nèi)、來(lái)自所有方向的、能量大于給定值的粒子數(shù)目:粒子/厘米2·秒。
單向微分通量與單向積分通量相仿,指在單位能量間隔內(nèi)的粒子數(shù):粒子/厘米2·秒·單位立體角·單位能量(如keV)。
全向微分通量與全向積分通量相仿,指在單位能量間隔內(nèi)的粒子數(shù):粒子/厘米2·秒·單位能量(如keV)。(2)銀河宇宙線模式
(3)太陽(yáng)宇宙線模式18第18頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一地球輻射帶的主要成分是電子和質(zhì)子,有少量的氦核和更少量的重元素的離子。分為輻射帶電子模型AE和輻射帶質(zhì)子模型AP,最新的是質(zhì)子模型AP8和電子模型AE8。6.地球輻射帶模式19第19頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一地球磁場(chǎng)按其起源可分為內(nèi)源場(chǎng)和外源場(chǎng)。內(nèi)源場(chǎng)是地磁場(chǎng)中起源于地球內(nèi)部的部分,它包括基本磁場(chǎng)和外源場(chǎng)變化時(shí)在地殼內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。基本磁場(chǎng)是地球固有的磁場(chǎng),起源于地核中的電流體系,是地磁場(chǎng)的主要部分,約占99%?;敬艌?chǎng)十分穩(wěn)定。外源場(chǎng)起源于地球附近的電流體系,包括電離層電流、環(huán)電流、場(chǎng)向電流、磁層頂電流及磁層內(nèi)其他電流的磁場(chǎng)。外源場(chǎng)由于各種原因而不斷變化,主要有磁靜日太陽(yáng)日變化、太陰日變化,以及磁暴、亞暴、鉤擾等地磁擾動(dòng)。7.空間磁場(chǎng)模式
20第20頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一21第21頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一流星體在空間的分布并不是均勻的。一些流星體是獨(dú)自運(yùn)動(dòng)的,其軌道也是隨機(jī)的,稱為偶現(xiàn)流星體。另有許多流星體密集在產(chǎn)生它們的母體的軌道附近,當(dāng)?shù)厍虼┻^(guò)這些區(qū)域時(shí),地球及圍繞地球運(yùn)行的空間站和其他航天器就會(huì)遇到更多的流星撞擊,它們進(jìn)入大氣層后燃燒發(fā)光成為人們可看到的“流星群”(流星雨)。流星群的不規(guī)則的空間分布,造成在地球附近的流星通量隨時(shí)間變化。8.流星體模式
22第22頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一
空間碎片模式包括空間碎片分布模式和空間碎片演化模式,分布模式將空間物體的軌道根數(shù)和其他特征的信息轉(zhuǎn)換為空間的分布,由此可以導(dǎo)出空間碎片通量、儀器探測(cè)率、碰撞概率等,幫助研究人員解釋測(cè)量軌道碎片實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),以及幫助設(shè)計(jì)者確定碎片對(duì)航天器的威脅,在航天工程上應(yīng)用廣泛,所以也叫做工程模式??臻g碎片演化模式也稱為未來(lái)分布模式,用于了解觀測(cè)碎片數(shù)量的未來(lái)增長(zhǎng)。9.空間碎片模式23第23頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一
(1)單一空間環(huán)境參量及相關(guān)模式的集成10.模式集成
(2)多空間環(huán)境參數(shù)綜合模式集成六、空間環(huán)境預(yù)報(bào)
1.空間環(huán)境預(yù)報(bào)的必要性
空間環(huán)境受太陽(yáng)活動(dòng)的影響,其狀態(tài)不斷發(fā)生變化,有時(shí)甚至是非常劇烈的變化。太陽(yáng)活動(dòng)既有長(zhǎng)達(dá)以11年為周期的變化,也有短至十幾分鐘的爆發(fā)過(guò)程。這些變化導(dǎo)致航天器的運(yùn)行軌道、姿態(tài)和壽命受到嚴(yán)重影響。因此,提前預(yù)報(bào)空間環(huán)境擾動(dòng),特別是預(yù)報(bào)災(zāi)害性空間環(huán)境擾動(dòng),以便采取相應(yīng)的防護(hù)措施和對(duì)策是非常重要和必要的。24第24頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一2.空間環(huán)境預(yù)報(bào)工作的主要內(nèi)容空間環(huán)境預(yù)報(bào)工作涉及的面很寬,主要的工作可以歸納為以下幾個(gè)方面:
(1)數(shù)據(jù)獲??;(2)物理過(guò)程研究;(3)基本規(guī)律和相關(guān)關(guān)系研究;(4)預(yù)報(bào)模式研究;(5)預(yù)報(bào)的實(shí)施。3.空間環(huán)境預(yù)報(bào)的分類空間環(huán)境預(yù)報(bào)通??煞譃殚L(zhǎng)期預(yù)報(bào)(以年為單位)、中期預(yù)報(bào)(以太陽(yáng)自轉(zhuǎn)周期[27天]為單位)、短期預(yù)報(bào)(1~3天)和警報(bào)(幾十分鐘到24小時(shí)內(nèi))等。25第25頁(yè),共27頁(yè),2023年,2月20日,星期一七、空間環(huán)境效應(yīng)1.空間環(huán)境效應(yīng)研究方法
空間環(huán)境的效應(yīng)十分廣泛,是空間環(huán)境科學(xué)中和用戶關(guān)系最為密切的部分,比較重要的有空間環(huán)境對(duì)航天器的影響、對(duì)通訊導(dǎo)航的影響、對(duì)供電
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