空間物理全冊(cè)配套完整課件

空間物理全冊(cè)配套完整課件地球科學(xué)概論

----空間科學(xué)部分地球科學(xué)概論本課宗旨:概括地了解地球科學(xué)的主要內(nèi)容,為深入學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ),為選擇專(zhuān)業(yè)提供參考主要內(nèi)容:Part1：空間科學(xué)

地球空間，日地空間物理,行星科學(xué)與空間探測(cè)

Part2：固體地球(地質(zhì),地球化學(xué),地球物理)Part3：遙感與地理信息系統(tǒng)本課的安排本學(xué)期的《地球科學(xué)概論》課程的上課時(shí)間及地點(diǎn)安排如下：

教室：理教408，宗秋剛

;王彥賓

;張顯峰

時(shí)間：周一/3～4節(jié)；周四/3～4節(jié)（雙周）

宗老師上課時(shí)間：9月9日～10月14日（其中包括一節(jié)考試課）王老師上課時(shí)間：10月17日～11月14日（其中包括一節(jié)考試課）張老師上課時(shí)間：11月18日至期末，教務(wù)安排考試為12月30日上午地球空間與空間科學(xué)部分地球空間

高層大氣，電離層，等離子體層，磁層日地空間（太陽(yáng)）行星物理空間探測(cè)本課內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)各個(gè)區(qū)域的基本特征

重點(diǎn)必備的基礎(chǔ)知識(shí)

基礎(chǔ)怎樣研究這些問(wèn)題

方法當(dāng)前關(guān)注的主要問(wèn)題

一般Textbooks：太空探索焦維新傅綏燕編

空間天氣學(xué)焦維新編

空間天氣王勁松呂建永編

太陽(yáng)風(fēng)暴揭秘總裝備部科普：/Education/Intro.htmlTheExplorationoftheEarth'sMagnetosphereFromStargazerstoStarships/課本與本課內(nèi)容有關(guān)的網(wǎng)站//esaCP/index.htmlMultimedia：包含太空的各類(lèi)圖片Missions：介紹過(guò)去、現(xiàn)在和將要發(fā)射的航天器

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各類(lèi)太空活動(dòng)新聞、背景知識(shí)與教師聯(lián)系方式電子信箱:qgzong@辦公室電話(huà):62767422辦公室地點(diǎn):物理大樓北樓412助教：袁憧憬，物理大樓北樓441

visasimon@

手機(jī)課涉及的專(zhuān)業(yè)課程地球的中高層大氣與電離層磁層物理太陽(yáng)與太陽(yáng)風(fēng)物理太陽(yáng)系行星科學(xué)我們或多或少知道的空間現(xiàn)象11地球偶極磁場(chǎng)超新星爆發(fā)與宇宙線(xiàn)銀河系大小的星系中超新星爆發(fā)的概率約為50年一次hugeasteroidsmayhavebroughtgoldandotherpreciousmetalstoinfantEarth,newresearchsuggests.9.2012彗星與太陽(yáng)風(fēng)彗星馬王堆帛書(shū)的彗星臨摹圖

(29幅)

西漢古墓隕石與流星隕石流星小行星與小行星帶有超過(guò)一萬(wàn)個(gè)小型星體（1km–1000km）位于火星與木星之間，這個(gè)帶是小行星帶，大部分流星來(lái)自于火星與木星之間小行星帶。流星地球火星木星日全食與日冕酒泉.金塔,2008年8月天狗食日太陽(yáng)黑子公元前140年前的《淮南子》中記載的：“日中有踆烏?！薄稘h書(shū)·五行志》出現(xiàn)的黑子記載：“河平元年，三月乙未，日出黃，有黑氣大如錢(qián)，居日中央?！睒O光192600BC《河圖稽命征》上說(shuō)：“附寶（黃帝之母）見(jiàn)大電光繞北斗權(quán)星，照耀郊野，感而孕二十五月，而生黃帝軒轅于青邱?！?0Dst=-287射線(xiàn)極光2121Dst=-287射線(xiàn)極光極光弧23幕狀極光BlokkeninSortland,NorwayApr.3,2010

ZoltanKenwell,NorthofEdmonton,Alberta,Canada,Apr.1,2010彌散極光25LanceParrish,

Skiland,Alaska,20milesNEofFairbanksApr.5,2010

極光大爆發(fā)LanceParrish,

Skiland,Alaska,20milesNEofFairbanksApr.5,2010

極光在正上方極光發(fā)生的地點(diǎn)！從天上看極光31/~pfrr/AURORA/INDEX.HTM極光的色彩紅色藍(lán)綠深紅地球的極光產(chǎn)生：

地球大氣高層的氣體分子或原子（N，O,

O2，N2)

受來(lái)自磁層電子撞擊，會(huì)被激發(fā)到較高的能態(tài)或被電離，當(dāng)離子重新俘獲電子或激發(fā)態(tài)原子回到基態(tài)的時(shí)候，多余的能量便會(huì)以某些特定波長(zhǎng)（不同色彩）的光波發(fā)射出來(lái)。3要素：大氣，磁場(chǎng)和帶電粒子極光發(fā)生的地點(diǎn)！frequencywithwhichauroraisseeninvariouspolarregions,producedin1860byEliasLoomis(1811-1889),professorofnaturalphilosophyatYale.AuroralFrequencyMapproducedin1881bytheGermanscientistHermannFritz(1830-1883).天王星海王星冥王星土星木星火星金星水星地球33NATURE|VOL432|4NOVEMBER2004強(qiáng)磁暴(Dst<-100nT)什么是磁暴?

磁暴是地球的磁場(chǎng)的水平分量在一到幾個(gè)小時(shí)內(nèi)急劇下降而在隨后的幾天內(nèi)恢復(fù)?！癆geomagneticstormischaracterizedbyamainphaseduringwhichthehorizontalcomponentoftheEarth’slowlatitudemagneticfieldsaresignificantlydepressed

overatimespanofonetoafewhoursfollowedbyitsrecoverywhichmayextendoverseveraldays(Rostoker,1997)”.Noteothercurrents(e.g.magnetopausecurrentsalsocancontributetoDst).磁暴急始主相恢復(fù)相初相AnnualSunspotNumber:1930-2000

MajorMagneticStorms:1932-2000Ifirstpreparedthisslidein1977foranIAGAtalk.Ithasbeenupdatedannuallysincethenandnowcoversalmost7sunspotcyclesofsolarandgeomagneticactivity.Theyellowcurveshowsannualvaluesofthesmoothedsunspotnumber(see“SolarGeophysicalDataReports”,editorMs.HelenCoffey,orNOAA’sNGDC/STPwebsite).Theredcurveshowstheannualnumberofdayswhentheglobalmid-latitudegeomagneticactivityindexApwas40unitsorhigher.Largesolarflareshappenmoreoftenduringyearsnearoratsunspotmaximumwhenmoreactiveregionspopulatethesolarsurface.FlareeventsareoftenaccompaniedbyCoronalMassEjections(CME)ofenergeticparticlecloudsburstingoutintointerplanetaryspaceandcarryingalongtheheliomagneticfield.WhentheseintersectEarth’sorbit,theydistortthemagnetosphere(Earth’sprotectivegeomagneticenvelope),causeauroralzone“substorms”andglobalgeomagneticstorms,andproducesatelliteanomalies.TheireffectivenessismodulatedbytheorientationandintensityoftheInterplanetaryMagneticField(IMF)carriedoutfromtheSun.ManyCMEsarenotdirectedatEarth,andthosethatarriveinnear-Earthspacemaynotfindconditionsoptimumforcouplingintothemagnetosphere.Thetimeseriesofgeomagneticstormsismorecomplexthanthesunspotcycleduetoavarietyofdifferentcausesthatproducedifferenttypesandintensitiesofstorms.TheApindexisbasedonactivityduringeachUT-day,butsincetheSundoesnotrecognizetheGreenwichMeridian,theseindicestruncatethemaximumintensitymeasureofmanystorms.In1975,Idefinedasimplemodification,theAp*index.Itisbasedonthemaximum24-hourvalueattainedbytherunningaverageofthe3-hourlyapindices(independentoftheUTday).Ap*isusedinseveralofthefollowingslidestoconveytherelativeintensityofthegeomagneticdisturbancefordifferentevents.AfalloutfromconsiderationofdifferentAp*levelswastherealizationthatloweramplitude,slowonsetmulti-daystorms(40<Ap*<60)occurfrequentlyduringpeakyearsonthedecliningsideofthesunspotcycleandprovideabackgroundofenhancedradiationwithwhichthemoreimpulsiveCME-relatedstormscombinetoproducesomeverylargestorms.However,theserecurrentstormsareclearlyrelatedtotheyet-undefinedprocessesthatgeneratepersistentrelativisticelectronsatGEOandloweraltitudes.Thebottomlineisthatcyclesofsolaractivityandgeomagneticstormsvaryduetoamixofcausesandthesesameconditionscancausedifferenttypesofsatelliteanomalies.磁暴和太陽(yáng)黑子的關(guān)系Borovsky,J.E.,andM.H.Denton(2006),DifferencesbetweenCME-drivenstormsandCIR-drivenstorms,J.Geophys.Res.,111,A07S08,doi:10.1029/2005JA011447.§1地球空間(Geospace）地球空間的定義地球的大氣層中高層大氣電離層等離子體層磁層什么是地球空間靠近行星地球的、受太陽(yáng)輻射變化直接影響的空間區(qū)域。內(nèi)邊界大約距離地球表面60公里，外邊界是太陽(yáng)風(fēng)與地磁場(chǎng)相互作用形成的.地球空間內(nèi)的物質(zhì)地球大氣的一部分，從距地球表面約60公里，擴(kuò)展到幾十個(gè)地球半徑地磁場(chǎng)地磁場(chǎng)產(chǎn)生：磁流體發(fā)電機(jī)地球空間構(gòu)成中高層大氣電離層等離子體層磁層電磁波頻譜可見(jiàn)光圖象紅外圖像空間科學(xué)概論

中高層大氣與電離層

熱層的加熱源吸收太陽(yáng)紫外輻射和X射線(xiàn)（最重要）帶電粒子加熱（高緯地區(qū)）電離層電流加熱（高緯地區(qū)）磁層電離層大氣密度日變率40公里以下：<6%；50~100公里：10~25%；100公里以上：隨太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)而變化；在磁暴發(fā)生幾個(gè)小時(shí)以后，密度可增加幾倍甚至達(dá)10倍。太空中的夕陽(yáng)西下。太陽(yáng)在地球后面落下，照亮地球大氣大氣中性成份和帶電粒子密度隨高度變化電離層粒子密度隨高度變化高層大氣密度隨太陽(yáng)活動(dòng)變化原因：太陽(yáng)紫外輻射增強(qiáng)，且被高層大氣吸收；變化幅度：340km：10倍500km：50倍太陽(yáng)活動(dòng)周變化導(dǎo)致高層大氣溫度和密度變化太陽(yáng)活動(dòng)周（11年）變化at700km:中性大氣溫度:2times中性成份密度:50times電子密度:10times研究20～100公里（臨近空間）的大氣的重要性亞軌道飛行器的飛行范圍載人航天器氣動(dòng)加熱嚴(yán)重的區(qū)域中程導(dǎo)彈飛行空間亞軌道旅游對(duì)地觀(guān)測(cè)軍事偵察臭氧層是指大氣層的平流層中臭氧（O3）濃度相對(duì)較高的部分，其主要作用是吸收短波紫外線(xiàn)。大氣層的臭氧主要以紫外線(xiàn)撞擊雙原子的氧氣，把它分為兩個(gè)原子，然后每個(gè)原子和沒(méi)有分裂的氧氣合并成臭氧（O3）。臭氧分子不穩(wěn)定，紫外線(xiàn)照射之后又分為氧氣分子和氧原子，形成一個(gè)臭氧-氧氣循環(huán)過(guò)程。距地面15～50千米高度的大氣平流層，集中了地球上約90％的臭氧，這一區(qū)域被稱(chēng)為臭氧層。臭氧層分布在離地20—50千米的高空，臭氧層中的臭氧主要是紫外線(xiàn)產(chǎn)生的。臭氧層南極臭氧洞聯(lián)合國(guó)相關(guān)組織為防止臭氧層空洞進(jìn)一步擴(kuò)大，決定成立保護(hù)臭氧層工作組，并制定出保護(hù)臭氧層的議定書(shū)。1995年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授于對(duì)臭氧層的濃度平衡機(jī)制研究卓有成效的3位大氣化學(xué)家，克魯岑、羅蘭和莫里那。1985年，法曼發(fā)現(xiàn)南極臭氧層有嚴(yán)重?fù)p失，1995年初，美國(guó)太空總署發(fā)布了衛(wèi)星遙感測(cè)量結(jié)果，證實(shí)了羅蘭-莫里那理論，使人們認(rèn)識(shí)到臭氧層對(duì)于生命、全球氣候以及人類(lèi)的未來(lái)至關(guān)重要。人造飛行器：軌道美國(guó)亞軌道戰(zhàn)機(jī)：空天飛機(jī)

美國(guó)國(guó)防部準(zhǔn)備在未來(lái)5年內(nèi)部署太空戰(zhàn)機(jī)（亞軌道飛行器）。這種飛行器將從美國(guó)本土發(fā)射，2小時(shí)內(nèi)向世界任何地方投放常規(guī)武器。

美國(guó)超級(jí)X系列試驗(yàn)飛行器屬于亞軌道飛行器，目前已經(jīng)發(fā)展到X－50型特點(diǎn)：極超音速，亞軌道飛行X-15X-15先后創(chuàng)造了6.72馬赫速度和108公里升限的世界記錄。X-43A2004年11月16日，X-43A最高速度達(dá)到9.6馬赫,遠(yuǎn)超過(guò)子彈速度

手槍子彈的初速一般在300-500米/秒，與音速（340米/秒）比較接近。運(yùn)動(dòng)槍和獵槍的初速一般是略低于音速。步槍的初速（700-1000米/秒）大于音速。正在穿越音障的戰(zhàn)斗機(jī)。注意到機(jī)身周?chē)げ娓浇捎谄绽侍?格勞厄脫奇點(diǎn)（Prandtl-Glauertsingularity）效應(yīng)產(chǎn)生的圓錐形云霧。音障（Soundbarrier），是一種物理現(xiàn)象。當(dāng)物體（通常是航空器）的速度接近音速時(shí)，將會(huì)逐漸追上自己發(fā)出的聲波。此時(shí)，由于機(jī)身對(duì)空氣的壓縮無(wú)法迅速傳播，將逐漸在飛機(jī)的迎風(fēng)面及其附近區(qū)域積累，最終形成空氣中壓強(qiáng)、溫度、速度、密度等物理性質(zhì)的一個(gè)突變面——激波（ShockWave）面。音障美軍測(cè)試速度達(dá)20馬赫的獵鷹飛行器“獵鷹”極超音速飛行器設(shè)計(jì)速度最高為24000公里/小時(shí)(音速的22倍)、飛行高度可達(dá)30-45公里。第一架“獵鷹”將于2007年9月份完成首次持續(xù)時(shí)間為1小時(shí)的試飛。航天器返回地面遇到的問(wèn)題航天器進(jìn)入大氣層的速度為25馬赫，在大氣層中將產(chǎn)生嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱，機(jī)翼前緣的溫度5分鐘后就增加到1100

C。航天飛機(jī)返回過(guò)程的氣動(dòng)加熱黑障區(qū)(Blackoutzone)，是導(dǎo)彈彈頭和航天器返回艙等再入體返回大氣層時(shí)，因再入體表面超高速摩擦形成高溫等離子區(qū)導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)電信號(hào)衰減至中斷的飛行區(qū)段。其范圍取決于載入體的外形、材料、載入速度，以及發(fā)射信號(hào)的頻率和功率等。黑障現(xiàn)象給載人飛船再入返回時(shí)的實(shí)時(shí)通信、載入測(cè)量造成困難黑障中程和洲際導(dǎo)彈飛行空間中程導(dǎo)彈最高點(diǎn)：100公里左右洲際導(dǎo)彈飛行在幾百公里高的外層空間它有精密的制導(dǎo)系統(tǒng)，飛行一萬(wàn)多公里，彈頭命中目標(biāo)一般誤差不超過(guò)一公里，甚至只有幾十米。如美國(guó)MX導(dǎo)彈精度達(dá)到90米。影響導(dǎo)彈命中精度的因素：大氣密度和風(fēng)亞軌道環(huán)境研究的內(nèi)容亞軌道環(huán)境（密度、溫度等）的特征及變化規(guī)律稀薄氣體動(dòng)力學(xué)激波加熱亞軌道飛行器的影響高層大氣對(duì)衛(wèi)星的影響衛(wèi)星軌道：衛(wèi)星壽命：衛(wèi)星返回時(shí)的加熱、回落點(diǎn)；高層大氣風(fēng)切變影響航天器發(fā)射成功率。高層大氣對(duì)

軍事活動(dòng)的影響導(dǎo)彈命中精度：密度值比設(shè)計(jì)值增大20％～40％，射程減小23.0～47.6km；

密度變化±5%，爆高誤差1km；美國(guó)民兵核導(dǎo)彈（100萬(wàn)噸當(dāng)量）摧毀地下發(fā)射井時(shí)，在0.4km之內(nèi)破壞概率為80%，在1.6km之外破壞概率只有10%；DST=-548nT電離層與電磁波傳播什么是電離層電離層的結(jié)構(gòu)電離層擾動(dòng)電磁波在電離層中的傳播1、什么是電離層地球高層大氣的一部分，因受太陽(yáng)的紫外線(xiàn)、X射線(xiàn)和帶電粒子輻射而電離。是地球大氣中自由電子密度足以對(duì)無(wú)線(xiàn)電波傳播產(chǎn)生顯著影響的區(qū)域。高度范圍：60~1000km。EdwardV.Appleton1947NobelPrizeinPhysics1924Appletonbeganaseriesofexperimentswhichprovedtheexistenceofthatlayerintheupperatmospherenowcalledtheionosphere.電離層與大氣層電離層逃逸層熱層中層平流層對(duì)流層電離層密度隨高度變化電離層的基本特性具有足夠數(shù)量的自由電子和離子，顯著地影響電磁波傳播;電離度低（～1％），相當(dāng)多的大氣分子和原子未被電離;電子和離子的運(yùn)動(dòng)還部分地受中性風(fēng)的影響。2、電離層的結(jié)構(gòu)指電離層電子密度以及離子成分隨高度的變化

分層結(jié)構(gòu)不均勻結(jié)構(gòu)電離層分層D層：60~90km。E層：90~160kmF層：160km以上whereN=electrondensitypercm3andfcriticalisinMHz.PlanetIonosphereDensityfluctuationaffectsradiowavereflectionandtransmissionD層主要電離源：太陽(yáng)的拉曼

輻射和軟X射線(xiàn)輻射夜間D層基本消失由于大氣較稠密，電子與中性粒子和離子的碰撞頻繁，無(wú)線(xiàn)電波在這一層中的衰減嚴(yán)重。

E層

高度范圍90~160km電子密度峰值出現(xiàn)在105~110km之間。主要電離源是太陽(yáng)紫外線(xiàn)和軟Ｘ射線(xiàn)夜間E層的電子密度很低。

F層

高度范圍在160km以上，是電離層中持久存在、電子密度主極大所在的層次。

一般將F層細(xì)分成F1和F2兩個(gè)層次。

電離層不規(guī)則性各種空間尺度的高密度“斑”和低密度“泡”，統(tǒng)稱(chēng)為不規(guī)則性，或不均勻結(jié)構(gòu)；最顯著的不規(guī)則性是散見(jiàn)E層和擴(kuò)展F。散見(jiàn)E層在100~120km高度經(jīng)常出現(xiàn)的不均勻結(jié)構(gòu)(高電子密度區(qū))，厚度約3~5km，水平尺度約幾十至上百km。散見(jiàn)E層

的電子密度分布3、電離層擾動(dòng)太陽(yáng)電磁輻射和粒子輻射的增強(qiáng)引起的電離層狀態(tài)變化。太陽(yáng)耀斑發(fā)出的X射線(xiàn)暴使向陽(yáng)面D區(qū)的電離密度急劇增加，短波和中波無(wú)線(xiàn)電信號(hào)立即衰落甚至完全中斷。突發(fā)電離層騷擾突發(fā)電離層騷擾太陽(yáng)耀斑→紫外和X射線(xiàn)突增→向陽(yáng)面電離層電離增強(qiáng)→短波無(wú)線(xiàn)電通信衰減或中斷電離層暴地磁場(chǎng)發(fā)生全球性變化時(shí)，電離層狀態(tài)發(fā)生的急劇變化稱(chēng)為電離層暴；正常形態(tài)打亂，使得通信適用頻率的選擇困難。電離層的

日、夜變化4、電磁波在電離層中的傳播低頻波傳播中頻波傳播高頻波傳播超高頻波傳播Ultrahighfrequency(UHF)designatesarangeofelectromagnetic

waveswithfrequenciesbetween300MHzand3GHz(3,000MHz).Alsoknownasthedecimetrebandordecimetrewaveasthewavelengthsrangefromonetotendecimetres(10

cmto1metre).RadiowaveswithfrequenciesabovetheUHFbandfallintotheSHF(Superhighfrequency)andEHF(Extremelyhighfrequency)bands,allofwhichfallintotheMicrowavefrequencyrange.LowerfrequencysignalsfallintotheVHF(Veryhighfrequency)orlowerbands.Seeelectromagneticspectrumforafulllistingoffrequencybands.無(wú)線(xiàn)電波傳播的形式直接視距傳播（地波）地球表面與電離層D層之間的多次反射傳播（大氣波導(dǎo)）在E層或F層反射傳播（天波）穿過(guò)電離層（衛(wèi)星通信）電磁波譜極低頻（ELF)與甚低頻(VLF)傳播極低頻信號(hào)在地球和電離層之間所構(gòu)成的“波導(dǎo)管”中傳播，穩(wěn)定可靠。極低頻波的特點(diǎn)超視距傳播能穿入海水?dāng)?shù)百米深極低頻通信系統(tǒng)缺點(diǎn)：系統(tǒng)極為龐大，天線(xiàn)效率極低，可能對(duì)四周環(huán)境造成有害影響，對(duì)電力線(xiàn)、電話(huà)線(xiàn)和電氣設(shè)備等形成電磁干擾；費(fèi)用昂貴。中頻傳播方式地波傳播主要用于導(dǎo)航、海上通信、調(diào)幅廣播高頻波（短波）傳播天波，電離層反射主要用于短波廣播、電話(huà)、超視距雷達(dá)短波傳播傳播形式：反射或多次反射；最大可用頻率（MUF):在通訊距離給定情況下，地面短波通訊所能使用的最大頻率。whereα=angleofattack,theangleofthewaverelativetothehorizon,andsinisthesinefunction.吸收限制的頻率（ALF):可用頻帶的最低限制，低于此頻率，電磁波將被D層吸收。Thecutofffrequencyisthefrequencybelowwhicharadiowavefailstopenetratealayeroftheionosphereattheincidenceanglerequiredfortransmissionbetweentwospecifiedpointsbyrefractionfromthelayer.典型的短波傳播路徑簡(jiǎn)單傳播模式：?jiǎn)未畏瓷淦渌鼈鞑ツＪ剑憾啻畏瓷洳▽?dǎo)模弦模復(fù)雜模超高頻與極高頻視距傳播用于衛(wèi)星通信、雷達(dá)和移動(dòng)通信影響電磁波傳播的因素電離層不均勻結(jié)構(gòu)：電離層擾動(dòng)：

突發(fā)電離層騷擾電離層暴電離層不均勻結(jié)構(gòu)效應(yīng)電離層閃爍，信號(hào)相位變化，導(dǎo)致導(dǎo)航、定位誤差數(shù)字通訊誤碼影響無(wú)線(xiàn)電波傳播路徑電離層閃爍

嚴(yán)重地區(qū)分布電離層擾動(dòng)的效應(yīng)最高和最低可用頻率變化飛行體跟蹤、航天器測(cè)軌信號(hào)被吸收，通訊中斷導(dǎo)航、定位的精度影響微波遙感時(shí)間同步問(wèn)題電離層探測(cè)地面探測(cè)

雷達(dá)電離層測(cè)高儀

衛(wèi)星探測(cè)電離層測(cè)高儀天線(xiàn)GPS掩星探測(cè)第一次作業(yè)題/每周一次我國(guó)歷史上觀(guān)測(cè)到的極光事件？我國(guó)歷史上觀(guān)測(cè)到的慧星和超新星爆發(fā)？演算人眼視距隨高度的變化？假設(shè)人眼分辨率為3/10000，肉眼能否看見(jiàn)1立方米左右人造衛(wèi)星，空間站？注：作業(yè)以紙板（打印版，手抄版）下次上課提交第二次作業(yè)題/每周一次什么是地球空間？中高層大氣的特征及其對(duì)軍事的影響什么是電離層？電離層的結(jié)構(gòu)電磁波在電離層是怎樣傳播的？注：作業(yè)以紙板（打印版，手抄版）下次上課提交中國(guó)：從北緯～0—50度，西經(jīng)～65–135度空間科學(xué)概論--

磁層

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院

宗秋剛教授磁層定義：太陽(yáng)風(fēng)流經(jīng)地球時(shí)，與地球磁場(chǎng)相互作用而在地球周?chē)纬傻?、地球磁?chǎng)對(duì)帶電粒子起控制作用的區(qū)域。磁層與輻射帶磁層是怎么形成的？極光是怎樣產(chǎn)生的？什么是磁暴？輻射帶是怎樣形成的？空間輻射環(huán)境與預(yù)報(bào)121磁層輻射帶的發(fā)現(xiàn)開(kāi)始空間時(shí)代AfterAkasofu,1991WilkenandZong,2001GroundbasedmeasurementSpaceage

TheEnd!磁層物理尺度全球流體離子電子124磁層示意圖PicturestakenNASA126中子星極光帶電粒子撞擊高層大氣的分子或原子而激發(fā)的絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象稱(chēng)為極光；主要發(fā)生在高磁緯地區(qū)，70至1000km的范圍內(nèi)；極光的形態(tài)（弧、帶、紋、幕）紫外極光X射線(xiàn)極光質(zhì)子極光與電子極光全球極光成像問(wèn)題1：極光為什么只出現(xiàn)在極區(qū)？帶電粒子在地磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)地磁場(chǎng)簡(jiǎn)單模型——偶極子SN帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)回旋運(yùn)動(dòng)：R是回旋半徑帶電粒子運(yùn)動(dòng)特征速度越大，回旋半徑越大；磁場(chǎng)越強(qiáng)，回旋半徑越??；當(dāng)有平行于磁場(chǎng)的速度分量時(shí)，粒子運(yùn)動(dòng)軌跡是螺旋線(xiàn)。電子離子電子離子粒子沿磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的分解BV一般情況下，磁場(chǎng)動(dòng)量守恒寫(xiě)作：能量守恒寫(xiě)作：SN1.磁場(chǎng)動(dòng)量守恒2.能量守恒寫(xiě)作：粒子在不均勻磁場(chǎng)中受到的力力的方向與磁場(chǎng)增加的方向相反；由于這個(gè)力的作用，粒子運(yùn)動(dòng)到一定高度后將反彈，反彈點(diǎn)稱(chēng)為鏡點(diǎn)；南北兩極區(qū)都有這樣的鏡點(diǎn)。南北兩極彈跳！粒子被地磁場(chǎng)捕獲在地磁場(chǎng)作用下能?chē)@地球漂移一周以上的帶電粒子稱(chēng)捕獲粒子粒子的沉降粒子被反射的點(diǎn)稱(chēng)磁鏡點(diǎn)；如果入射粒子接近與磁場(chǎng)平行，磁鏡點(diǎn)降低，若低于100km，則粒子在反射之前就與大氣分子相撞，稱(chēng)粒子沉降。關(guān)于問(wèn)題1的結(jié)論由于地磁場(chǎng)的存在，只有在極區(qū)或高（磁）緯地區(qū)，帶電粒子才能運(yùn)動(dòng)到較低的高度，與大氣分子相撞，產(chǎn)生極光。問(wèn)題2：為什么極光是五顏六色的？極光的顏色與哪些因素有關(guān)？大氣成分帶電粒子的種類(lèi)帶電粒子的能量150/~pfrr/AURORA/INDEX.HTM極光的色彩紅色藍(lán)綠深紅地球的極光產(chǎn)生：

地球大氣高層的氣體分子或原子（N，O,

O2，N2)

受磁層電子撞擊，會(huì)被激發(fā)到較高的能態(tài)或被電離，當(dāng)離子重新俘獲電子或激發(fā)態(tài)原子回到基態(tài)的時(shí)候，多余的能量便會(huì)以某些特定波長(zhǎng)（不同色彩）的光波發(fā)射出來(lái)。3要素：大氣，磁場(chǎng)和帶電粒子研究極光的意義極光形成原因：能量轉(zhuǎn)換與粒子加速機(jī)制由極光頻譜可判斷沉降粒子種類(lèi)由極光區(qū)分布可判斷太陽(yáng)活動(dòng)和地磁活動(dòng)程度=〉空間天氣思考題為什么極光主要出現(xiàn)在高磁緯地區(qū)？在非均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)1、磁場(chǎng)非均勻性的描述2、曲率漂移3、梯度漂移在x-z平面彎曲的磁力線(xiàn)運(yùn)用到地球磁場(chǎng)帶電粒子在地磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)形態(tài)

回旋彈跳

漂移空間科學(xué)概論：

磁層物理與空間輻射

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院

宗秋剛教授帶電粒子為什么會(huì)漂移運(yùn)動(dòng)?強(qiáng)弱強(qiáng)弱帶電粒子漂移運(yùn)動(dòng)的速度漂移：磁通：對(duì)給定的磁場(chǎng)梯度和曲率，飄移速度是平行能量的函數(shù)。具有相同能量的正離子和電子有相同的漂移速度，但它們漂移的方向相反，因此將產(chǎn)生電流。

帶電粒子漂移運(yùn)動(dòng)地磁場(chǎng)中的電子與離子在相反方向漂移環(huán)電流（TheRingCurrent）Current=MovingChargeJ(electriccurrent)電子離子電流電流環(huán)電流對(duì)地球磁場(chǎng)的擾動(dòng)電流NSSN地磁場(chǎng)為什么會(huì)變化？地磁場(chǎng)有什么樣的變化？地磁活動(dòng)帶電粒子沿著磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)→產(chǎn)生場(chǎng)向電流→產(chǎn)生磁場(chǎng)擾動(dòng)；垂直于磁力線(xiàn)運(yùn)動(dòng)→產(chǎn)生環(huán)電流→產(chǎn)生磁場(chǎng)擾動(dòng)；這些磁場(chǎng)使正常情況下的地磁場(chǎng)值發(fā)生變化，稱(chēng)為地磁擾動(dòng)，或地磁活動(dòng)；由大的環(huán)電流引起的地磁場(chǎng)變化稱(chēng)為磁暴。地磁活動(dòng)指數(shù)表示一定時(shí)間間隔內(nèi)地磁場(chǎng)擾動(dòng)程度的數(shù)字，稱(chēng)為地磁活動(dòng)指數(shù)。常用的有Kp指數(shù)、Ae指數(shù)和Dst指數(shù)等。數(shù)字越大，表示地磁擾動(dòng)越強(qiáng)。環(huán)電流增強(qiáng)引起

地球磁暴SN磁暴全球范圍內(nèi)地磁場(chǎng)的劇烈擾動(dòng)，擾動(dòng)時(shí)間持續(xù)十幾小時(shí)到幾天；磁暴發(fā)生與太陽(yáng)活動(dòng)有密切關(guān)系，大的非重現(xiàn)性磁暴與太陽(yáng)的日冕物質(zhì)拋射（CME）聯(lián)系密切。在地球的赤道上空,電子與離子在地磁場(chǎng)中漂移方向相反,因而產(chǎn)生環(huán)繞赤道的電流,稱(chēng)為“環(huán)電流”；這個(gè)環(huán)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與地球表面的磁場(chǎng)的水平分量相反,因此,強(qiáng)的環(huán)電流使地球磁場(chǎng)水平分量大為減小。

磁暴---Dst指數(shù)表征磁暴的大小。什么是磁暴?

磁暴是地球的磁場(chǎng)的水平分量在一到幾個(gè)小時(shí)內(nèi)急劇下降而在隨后的幾天內(nèi)恢復(fù)。.磁暴急始主相恢復(fù)相1989年3月北京地磁臺(tái)觀(guān)測(cè)到的磁暴產(chǎn)生磁暴的直接原因大量的帶電粒子(太陽(yáng)風(fēng)，電離層)進(jìn)入地球磁層空間，并被地磁場(chǎng)捕獲。由于能量粒子增多，環(huán)電流也大為增強(qiáng)。強(qiáng)大的環(huán)電流產(chǎn)生的反向磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)疊加，使得地磁場(chǎng)的水平分量急劇下降。

這時(shí)，我們就說(shuō)發(fā)生了磁暴。172磁暴的產(chǎn)生：磁暴的產(chǎn)生：1.磁重聯(lián)2.磁層對(duì)流地球磁場(chǎng)的總能量

abovethesurfaceoftheEarthis

whereBEisthemagneticfieldatthesurfaceoftheEarthandREisoneEarthradii(6371km).環(huán)電流中的能量

與地球磁場(chǎng)的總能量

之比：whereisthechangeinBmeasuredatthesurfaceoftheEarth(Dst),

Dst=-100nT總能量約為2.8X1015J=2.8X1022ergs，相當(dāng)于5000兆瓦（GW）或者說(shuō)是3個(gè)原子彈的威力。環(huán)電流中的能量（

Dessler-Parker-Sckopkerelationship）

磁暴(Dst<-200nT)的季節(jié)效應(yīng)六月，八月和12月沒(méi)有超強(qiáng)磁暴！（36超強(qiáng)磁暴中）特大磁暴

磁暴的季節(jié)效應(yīng)磁暴的季節(jié)效應(yīng)(RMEffect)磁暴的產(chǎn)生及伴隨的事件亞暴地磁場(chǎng)持續(xù)時(shí)間為2、3小時(shí)的擾動(dòng)，是存儲(chǔ)在地球磁尾的太陽(yáng)風(fēng)能量瞬時(shí)的釋放引起的。引起極光卵增大、增亮。平均一天出現(xiàn)4~5次，每次釋放一個(gè)中等地震的能量。THEMIS衛(wèi)星星座磁暴和亞暴效應(yīng)對(duì)輸電線(xiàn)路的破壞（在地面的效應(yīng)）航天器帶電（對(duì)航天器的效應(yīng)）高層大氣加熱（對(duì)近地環(huán)境的效應(yīng)）對(duì)宇航員的輻射損害（對(duì)載人航天的效應(yīng)）通訊受到干擾甚至中斷（對(duì)電離層的效應(yīng)）對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境的影響（帶電粒子對(duì)臭氧分布的影響）近地空間是關(guān)系到人類(lèi)，通信，導(dǎo)航，全球定位和航天活動(dòng)最主要的區(qū)域；深入理解輻射帶變化機(jī)理，建立動(dòng)態(tài)輻射帶模型對(duì)保障我國(guó)的航天活動(dòng)和航天器安全具有重要意義。地球空間暴空間輻射環(huán)境與近地空間暴?太陽(yáng)高能粒子（太陽(yáng)宇宙線(xiàn)）?銀河宇宙線(xiàn)

地球輻射帶CME太陽(yáng)耀斑CIR行星際激波太陽(yáng)高能粒子（太陽(yáng)宇宙線(xiàn)）RadiationfluxeshighforseveraldaysduringsolarflaresSolaractivitycycleapproximately11yearslongFluenceshighenoughtocausedamageimportanceofpropershieldingIncludeprotonsandheavyionsEnergyspectrumhighlyvariableEssentiallyunpredictable,howevereffortsdedicatedtoaddresstheprobleminvariousSpaceWeatherinitiativesSolarparticlesareshieldedbytheEarthmagneticfield太陽(yáng)高能粒子（太陽(yáng)宇宙線(xiàn)）太陽(yáng)高能粒子（太陽(yáng)宇宙線(xiàn)）空間輻射環(huán)境與近地空間暴?太陽(yáng)高能粒子（太陽(yáng)宇宙線(xiàn)）?銀河宇宙線(xiàn)

地球輻射帶銀河宇宙線(xiàn)Flux~4particles/cm2/secinspace,anti-correlationwithsolaractivityAtmosphereshieldsEarth’ssurfacefrom“primary"cosmicraysCollisionsinupperatmosphereproduce"secondary"cosmicrays.Somereachgroundlevel(seenin“neutronmonitors”)Averagepersoniscrossedby~100relativisticmuons/sDiscoveredin1912byAustrianVictorHessSupernovaeproducehighenergycosmicrays,acceleratedbymovingshocks,assuggestedbyEnricoFermiin1949.Canreach~10^20eVrange.，~Chargedparticlesacceleratedtonearspeedoflight銀河宇宙線(xiàn)宇宙線(xiàn)強(qiáng)度與太陽(yáng)活動(dòng)反相關(guān)銀河宇宙線(xiàn)：Composition空間輻射環(huán)境與近地空間暴?太陽(yáng)高能粒子（太陽(yáng)宇宙線(xiàn)）?銀河宇宙線(xiàn)

地球輻射帶地球的輻射帶地磁場(chǎng)將高能的帶電粒子（MeV）約束在地球空間確定的區(qū)域內(nèi)，形成帶電粒子比較集中的地區(qū)，稱(chēng)為輻射帶。輻射帶輻射帶結(jié)構(gòu)地球的輻射帶地球輻射帶特征輻射帶是充滿(mǎn)高能帶電粒子（>1MeV-~GeV）的區(qū)域，環(huán)繞著地球在大約1.1~3.3個(gè)地球半徑以?xún)?nèi)和4.5~6個(gè)地球半徑的兩個(gè)區(qū)域內(nèi)分別稱(chēng)為內(nèi)輻射帶和外輻射帶。南大西洋異常南大西洋異常南大西洋異常(SAA)衛(wèi)星異常情況分布

(注意太空的百慕大三角）輻射帶小結(jié)在地球周?chē)傻卮艌?chǎng)捕獲的高能帶電粒子區(qū)域；按空間區(qū)域分內(nèi)輻射帶和外輻射帶：內(nèi)輻射帶：在赤道面上離地心1.1到3.3個(gè)地球半徑，主要是高能質(zhì)子。外輻射帶：在赤道面上離地心4.5到6.0個(gè)地球半徑，主要由電子組成。模型：靜態(tài):AE-8,AP-8,andCRRES-PRO,動(dòng)態(tài):CRRES-ELECOSPAR（國(guó)際空間聯(lián)合會(huì)）EspeciallyimportantatMEOaltitudesDataiscriticalfromMEOregionsMEO：下一代通信衛(wèi)星星座的關(guān)鍵區(qū)域L~EquatorialRadialDistance(RE)HEOGPSGEO050100150200250CRRESMEP-SEUAnomalies0CRRESVTCWAnomaliesInnerBeltSlotOuterBelt51015123456780102030SCATHASurfaceESD單粒子翻轉(zhuǎn)深層充電表面帶電(Dosebehind82.5milsAl)SCATHA

由于空間活動(dòng)的軍事和政治敏感性，對(duì)于在軌衛(wèi)星的環(huán)境模型和數(shù)據(jù)各大國(guó)都保密，我國(guó)必須開(kāi)發(fā)自主的、高性能的空間輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)。REEVESetal,2009空間環(huán)境危害與帶電粒子能量及類(lèi)型的關(guān)系空間環(huán)境危害表面帶電表面劑量表面劑量深層充電單粒子效應(yīng)核輻射激發(fā)總劑量位移損傷粒子種類(lèi)粒子動(dòng)力學(xué)時(shí)間尺度高能電子:深層充電效應(yīng)3.大量電子泄漏撞擊絕緣體2.次級(jí)電子泄漏出絕緣體1.高能電子撞擊絕緣體4.次級(jí)電子增加的速度大于泄漏出絕緣體的速度off5.放電火花擊穿

或損壞元器件l深層充電效應(yīng)>1

MeVe-空間環(huán)境如何影響空間飛行器CCD成像模糊

之前之后輻射造成太陽(yáng)能電池功率下降單粒子事件微電子器件：反轉(zhuǎn)，造成死鎖衛(wèi)星本體變成有輻射性太陽(yáng)能電池板的弧形放電由于輻射劑量的升高，電子元器件的加速老化由于輻射劑量的升高，衛(wèi)星表面的老化衛(wèi)星本體的電磁脈沖放電Probabilityofdischargesgoesupdramaticallywithincreasingelectronfluence.深層充電引起的衛(wèi)星異常Vampola(1977)深層放電效應(yīng)電子日流量可能性空間暴幾個(gè)關(guān)心的方面TheadventofnewlongrangeaircraftsuchastheA340-500/600,B777-300ERandB777-200LRNext6Years:AirlinesoperatingChina-USroutesgofrom4to9Numberofweeklyflightsfrom54to249Next12Years:1.8millionpolarroutepassengersby2018AirlinesandSpaceWeather航空公司AirborneSurveyDataCollection:$50,000perdayMarineSeismicDataCollection:$80,000-$200,000perdayOffshoreOilRigOperation:$300,000-$1,000,000perday(CourtesyR.Barker)GPSGlobalProductionValue—expectedgrowth:2003-$13billion2008-$21.5billion2017-$757billionIndustrialTechnologyResearchInstitute(ITRI)–Mar2005GlobalPositioningSystem海上石油開(kāi)采GPS導(dǎo)航SpaceRadiationHazardsandtheVisionforSpaceExploration空間輻射損壞人的DNA鏈，影響人類(lèi)的空間活動(dòng)Incontrast,recentanalysisindicatesthatdisturbanceintensitiesof2000nT/min（33.3nT/s）

orgreaterhaveoccurredbeforeandarethereforepossibleagainandasaresultposethepossibilityoflarge-scaleimpactstotheseinfrastructures.磁暴影響電線(xiàn)網(wǎng)路系統(tǒng)

白天最高氣溫：1.6度夜晚：-6.7度50萬(wàn)靠電供熱“Thecascadingofeventswasmuchtoofastforhumanoperatorstoreact！”空間輻射對(duì)衛(wèi)星的危害根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在1971年2月至1986年11月期間美國(guó)衛(wèi)星發(fā)生的1589次異常事件中70%與空間環(huán)境有關(guān)，據(jù)了解我國(guó)的地球同步軌道通信衛(wèi)星由空間環(huán)境引發(fā)的故障占總故障的40%。根據(jù)CRRES等衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)，在磁暴期間，能量電子通量會(huì)提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，且峰值處正好位于4－5Re。216在如此強(qiáng)的地磁活動(dòng)條件下（

Dst=-1760nT），

處于磁層的大多數(shù)或絕大多數(shù)衛(wèi)星

（見(jiàn)下表，摘自J.Green,2008），

將會(huì)遇到相當(dāng)程度的破壞，直接經(jīng)濟(jì)損失可能高達(dá)2300億美元左右,而包括地面總的損失可能超過(guò)10萬(wàn)億美元（美國(guó)科學(xué)院報(bào)告，2008）。衛(wèi)星位置商業(yè)衛(wèi)星軍事衛(wèi)星科學(xué)衛(wèi)星總計(jì)低軌（LEO）2739470437中軌（MEO）1910112132同步（GEO）308518367總計(jì):60024591936總計(jì)

(到Dec,2004的衛(wèi)星數(shù)據(jù))………~936顆衛(wèi)星衛(wèi)星總費(fèi)用（硬件和發(fā)射）

…。。。。~$2300億美元同步軌道商業(yè)衛(wèi)星的年收入………?！?$870億美元低軌和中軌商業(yè)衛(wèi)星的年收入…..。。.$100億美元全球衛(wèi)星工業(yè)的年收入……。。..$2250億美元經(jīng)濟(jì)損傷估計(jì)磁層物理兩個(gè)最基本問(wèn)題（1）磁力線(xiàn)重聯(lián)（2）波-粒相互作用磁層物理基本問(wèn)題（1）磁力線(xiàn)重聯(lián)磁層物理問(wèn)題（1）磁力線(xiàn)重聯(lián)磁場(chǎng)能量的釋放：磁層物理問(wèn)題（2）波-粒相互作用帶電粒子在地磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)形態(tài)

回旋彈跳

漂移磁層物理問(wèn)題（2）波-粒相互作用共振現(xiàn)象schumannresonance磁層物理問(wèn)題（2）波-粒相互作用共振現(xiàn)象本節(jié)作業(yè)輻射帶是怎樣形成的？什么是共振現(xiàn)象？舉例說(shuō)明你所知道的共振現(xiàn)象什么叫磁暴？什么叫亞暴？本節(jié)復(fù)習(xí)思考題電離層的基本知識(shí)：電離層分層結(jié)構(gòu)、電離層不規(guī)則性、電離層騷擾、電離層暴、電磁波在電離層中的傳播特性為什么極光主要出現(xiàn)在高磁緯地區(qū)？輻射帶是怎樣形成的？什么叫磁暴？什么叫亞暴？磁暴的效應(yīng)空間科學(xué)概論(5)

太陽(yáng)與太陽(yáng)風(fēng)

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院

宗秋剛教授內(nèi)容提要太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)太陽(yáng)爆發(fā)性活動(dòng)太陽(yáng)周期性活動(dòng)太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球空間的影響SOHO衛(wèi)星看太陽(yáng)：6Views白光磁像儀極紫外171A(1millionK)白光日冕儀極紫外284A(2millionK)極紫外

304A(70,000K)太陽(yáng)的結(jié)構(gòu)日核輻射區(qū)對(duì)流區(qū)太陽(yáng)大氣光球?qū)印⑸驅(qū)?、過(guò)渡區(qū)和日冕核輻射區(qū)對(duì)流區(qū)日冕光球?qū)用岫刺?yáng)黑子色球?qū)尤甄磲槧铙w日核--核反應(yīng)區(qū)厚度約為太陽(yáng)半徑的1/4，太陽(yáng)能量的99%是由中心氫聚變?yōu)楹さ暮朔磻?yīng)產(chǎn)生的。deuteriumwithtritium氘氚氦中子輻射區(qū)太陽(yáng)厚度的20%到80%，在核心產(chǎn)生的能量由光子向外輸送輻射區(qū)對(duì)流區(qū)光球?qū)尤蘸藢?duì)流區(qū)

底部的溫度高，頂部的溫度低，

形成對(duì)流。太陽(yáng)的密度太陽(yáng)的溫度太陽(yáng)大氣太陽(yáng)大氣層從內(nèi)到外分為光球?qū)?、色球?qū)印⑦^(guò)渡區(qū)和日冕；主要成分是氫（質(zhì)量約占71%）與氦（質(zhì)量約占27%）；光球?qū)用岫刺?yáng)黑子色球?qū)尤甄砉馇驅(qū)邮侨庋劭煽匆?jiàn)的日輪，幾百公里厚；可見(jiàn)光波段的輻射幾乎全部是光球?qū)?；光球?qū)拥脑S多征：暗的黑子、亮的光斑、米粒和超米粒結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)黑子太陽(yáng)光球上的黑色斑點(diǎn)，是光球上溫度較低、磁場(chǎng)很高的區(qū)域Swedish1-mSolartelescope,LaPalma,CanaryIslands太陽(yáng)黑子米粒太陽(yáng)黑子的形成高通量的帶電粒子和強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)阻礙對(duì)流,限制熱量傳輸?shù)教?yáng)表面;以至于部分光球?qū)永鋮s，因此看上去黑一些。磁場(chǎng)俘獲的粒子太陽(yáng)黑子對(duì)流元色球?qū)釉诠馇驅(qū)由厦娴牟灰?guī)則層，大約1500公里厚。用單色光觀(guān)測(cè)，可以看見(jiàn)它是的玫瑰紅色的氣層，因而得名光球?qū)?。過(guò)渡區(qū)色球?qū)优c日冕之間的薄層，在這個(gè)層的上下，溫度發(fā)生急劇變化。日冕過(guò)渡區(qū)之上是日冕層，延伸到數(shù)倍太陽(yáng)半徑處；日冕是溫度108K的高溫、稀薄等離子體；SunspotMinimumSunspotMaximum酒泉.金塔,2008年8月

日冕環(huán)日冕環(huán)與地球比較冕洞在太陽(yáng)x射線(xiàn)成像中暗的區(qū)域稱(chēng)冕洞；冕洞是高速太陽(yáng)風(fēng)的源；太陽(yáng)風(fēng)在太陽(yáng)表面，日冕氣體溫度很高，足以克服太陽(yáng)引力，以400~800km/s的典型速度離開(kāi)太陽(yáng)，這個(gè)外流的等離子體稱(chēng)為太陽(yáng)風(fēng)；太陽(yáng)風(fēng)主要由質(zhì)子和電子組成，也有少量的氦核與重離子；太陽(yáng)風(fēng)高速流來(lái)自冕洞。太陽(yáng)風(fēng)速度隨緯度的變化245太陽(yáng)風(fēng)速度隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化（11年變化）

2、太陽(yáng)爆發(fā)性活動(dòng)日冕物質(zhì)拋射太陽(yáng)耀斑日冕物質(zhì)拋射(CME)日冕物質(zhì)被加熱和加速，速度超過(guò)逃逸速度而飛向行星際空間；大的CME可拋出10億噸物質(zhì)，噴發(fā)速度可達(dá)2000km/s；在太陽(yáng)活動(dòng)峰年，太陽(yáng)每天發(fā)生大約3次CME:在太陽(yáng)活動(dòng)低年，大約每5天發(fā)生一次CME。CME的演變CME與行星的比較太陽(yáng)耀斑太陽(yáng)爆發(fā)性的能量釋放過(guò)程，持續(xù)時(shí)間從幾十秒到幾小時(shí)。主要特征是電磁輻射急劇增大；在強(qiáng)耀斑期間，紫外和X射線(xiàn)輻射可增強(qiáng)100倍。一次大耀斑釋放的能量高達(dá)1025J，相當(dāng)于4百億個(gè)廣島原子彈。在太陽(yáng)活動(dòng)高年，每周大約觀(guān)測(cè)到一次耀斑。太陽(yáng)黑子與太陽(yáng)耀斑耀斑形態(tài)耀斑與能量釋放耀斑伴隨的×射線(xiàn)發(fā)射太陽(yáng)耀斑分級(jí)B:B1,B2,……B10（微小耀斑）C:C1,C2,……C10（小耀斑）M:M1,M2,……M10（中等耀斑）X:X1,X2,………

(大耀斑)耀斑引起太陽(yáng)表面震動(dòng)CME與耀斑大約有一半的CME與耀斑無(wú)關(guān)；耀斑伴隨著強(qiáng)烈的電磁輻射，并不總有粒子輻射；而CME主要是拋射物質(zhì)（磁化的等離子體）；大磁暴與CME密切相關(guān)，而太陽(yáng)耀斑通常不引起磁暴。3、太陽(yáng)周期性活動(dòng)太陽(yáng)電磁輻射與粒子輻射周期性的變化稱(chēng)為太陽(yáng)的周期性活動(dòng)；主要周期活動(dòng)：27天太陽(yáng)自轉(zhuǎn)周變化、太陽(yáng)黑子的11年周期變化和太陽(yáng)磁場(chǎng)極性的22年周期變化。太陽(yáng)黑子太陽(yáng)黑子隨太陽(yáng)表面旋轉(zhuǎn)，從地球上看，一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)需27天；黑子群，特別是具有復(fù)雜磁場(chǎng)位形的黑子群常常是發(fā)生耀斑的地方；黑子的月平均數(shù)變化翻身陀螺太陽(yáng)磁場(chǎng)極性的22年周期變化X-raySun,1991-1995,Yohkohimagesevery4months11年太陽(yáng)活動(dòng)周期太陽(yáng)磁場(chǎng)太陽(yáng)磁場(chǎng)形態(tài)比地磁場(chǎng)復(fù)雜得多，圖中黑、白相應(yīng)于不同極性；太陽(yáng)黑子區(qū)磁場(chǎng)最強(qiáng)；所有太陽(yáng)活動(dòng)都與磁場(chǎng)的演變有關(guān)。太陽(yáng)可變性電磁輻射：在22年太陽(yáng)活動(dòng)周中，可見(jiàn)光波長(zhǎng)變化比較小，在短波區(qū)(紫外和Χ射線(xiàn))及射頻變化可達(dá)100倍；在耀斑期間Χ射線(xiàn)變化可達(dá)106。在11年太陽(yáng)黑子周中太陽(yáng)總輸出功率變化是千分之幾，但足以影響氣候變化。帶電粒子：包括低能太陽(yáng)風(fēng)等離子體和高能粒子，它們攜帶了太陽(yáng)的部分能量。太陽(yáng)風(fēng)有以27天為周期的變化和由于日冕噴射的偶然變化。描述太陽(yáng)活動(dòng)的主要參數(shù)太陽(yáng)黑子數(shù)；10.7cm射電通量(F10.7)；耀斑級(jí)；日冕物質(zhì)拋射（CME）；太陽(yáng)風(fēng)速度10.7cm射電通量(F10.7)日冕物質(zhì)拋射對(duì)地球空間的影響太陽(yáng)質(zhì)子事件磁暴高能電子暴太陽(yáng)爆發(fā)對(duì)地球空間的效應(yīng)X射線(xiàn)暴

8分鐘到達(dá)地球電離層突然騷擾相對(duì)論高能粒子

10幾分鐘到達(dá)地球極區(qū)電離層電離增加影響極區(qū)通訊太陽(yáng)能量粒子幾個(gè)小時(shí)到達(dá)地球?qū)教靻T的危害,對(duì)航天器的危害高速太陽(yáng)風(fēng)

2天左右到達(dá)地球磁暴,亞暴電離層突然騷擾；電離層暴；極蓋吸收事件磁暴磁層高能粒子暴太陽(yáng)爆發(fā)對(duì)地球空間的效應(yīng)當(dāng)前關(guān)注的問(wèn)題日冕加熱機(jī)制太陽(yáng)風(fēng)加速機(jī)制耀斑觸發(fā)機(jī)制、預(yù)報(bào)方法CME發(fā)生的原因、預(yù)報(bào)方法太陽(yáng)風(fēng)與磁層相互作用本次作業(yè)什么是太陽(yáng)黑子？太陽(yáng)黑子的形成什么是太陽(yáng)耀斑？什么是日冕物質(zhì)拋射？什么是太陽(yáng)活動(dòng)周？空間科學(xué)概論(6)

----行星與太陽(yáng)系探測(cè)水星金星地球火星木星土星天王星海王星

1.太陽(yáng)系的構(gòu)成2.行星磁層與極光活動(dòng)

3.月球探測(cè)4.行星探測(cè)

1、太陽(yáng)系構(gòu)成水星金星地球火星木星土星天王星海王星TheEarth

3rdplanetfromtheSun1AU=150millionkmTraveltime:Bylight--8minutesBySolarWind--~100hrsSolarSystem水星金星地球火星木星土星海王星天王星冥王星行星矮行星小天體類(lèi)地行星小行星彗星水星地球金星火星木星土星天王星海王星冥王星谷神星珍娜慧星流星類(lèi)地行星類(lèi)木行星行星的定義一顆行星是一個(gè)天體，它滿(mǎn)足:(a)圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn);(b)有足夠大的質(zhì)量來(lái)克服固體應(yīng)力以達(dá)到流體靜力平衡的(近于圓球)形狀，同時(shí)(c)清空了所在軌道上的其他天體。矮行星的定義一顆矮行星是一個(gè)天體，它滿(mǎn)足

(a)圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)

(b)有足夠大的質(zhì)量來(lái)克服固體應(yīng)力以達(dá)到流體靜力平衡的(近于圓球)形狀

(c)沒(méi)有清空所在軌道上的其他天體，同時(shí)

(d)不是一顆衛(wèi)星。

小天體其他圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的天體，衛(wèi)星除外，統(tǒng)稱(chēng)為“太陽(yáng)系小天體”。

冥王星和庫(kù)帕帶庫(kù)帕帶的位置處于距離太陽(yáng)40至50天文單位（AU）低傾角的軌道上。該處過(guò)去一直被認(rèn)為空無(wú)一物，是太陽(yáng)系的盡頭所在。但事實(shí)上這里布滿(mǎn)著直徑數(shù)十公里到上千公里的冰封物體。庫(kù)帕帶是現(xiàn)時(shí)我們所知的太陽(yáng)系的邊界，是太陽(yáng)系大多數(shù)彗星的來(lái)源地。流星球粒狀鄖石大部分隕石是球粒隕石（占總數(shù)的91.5％）小行星與小行星帶有超過(guò)一萬(wàn)個(gè)小型星體（1km–1000km）位于火星與木星之間，這個(gè)帶是小行星帶，大部分流星來(lái)自于火星與木星之間小行星帶。流星彗星，或稱(chēng)為掃帚星，是一種天體，由太陽(yáng)系外圍行星形成后所剩余的物質(zhì)（如冰凍的氣體、冰塊、塵埃）組成。彗星質(zhì)量很小，只有地球質(zhì)量的幾千億分之一，通常沿著扁平的軌道圍繞太陽(yáng)運(yùn)行。繞行一周所需的時(shí)間由幾年至幾百萬(wàn)年不等。彗星等離子體尾中性氣體尾彗星馬王堆帛書(shū)的彗星臨摹圖

(29幅)

西漢古墓

1.太陽(yáng)系的構(gòu)成2.行星磁層與極光活動(dòng)

3.月球探測(cè)4.行星探測(cè)

Orientationofrotationandmagneticaxes291ComparativeMagnetosphere292NATURE|VOL432|4NOVEMBER2004木星的極光

1.太陽(yáng)系的構(gòu)成2.行星磁層與極光活動(dòng)

3.月球探測(cè)4.行星探測(cè)

2011年9月1日（農(nóng)歷八月初四）13點(diǎn)43分,錢(qián)塘江大潮觀(guān)潮圣地浙江海寧鹽官，形成一線(xiàn)潮。圖為潮來(lái)現(xiàn)場(chǎng)。沒(méi)有大氣，表面也無(wú)液態(tài)水晝夜溫度變化很大，表面最高溫度高達(dá)123

C，白天平均溫度為107°C，夜間平均溫度為-153°C，夜半球溫度最低達(dá)-233

C。

月球的北極發(fā)現(xiàn)有幾百萬(wàn)噸水

ANASAradaraboardIndia’sChandrayaan-Ilunarorbiterfound40craters,ranginginsizefrom1to9milesacross,withpocketsofice.Scientistsestimateatleast600milliontonsoficecouldbeentombedinthesecraters.三種可能：一是來(lái)自撞擊月球的彗星或小行星;二是撞擊事件釋放了困于月表下面的水；三是攜帶氫原子的太陽(yáng)風(fēng)，氫原子與月球土壤中的氧原子結(jié)合形成水。如果真是太陽(yáng)風(fēng)，那還意味著太陽(yáng)系中沒(méi)有大氣的地方也可能有少量水，比如水星和小行星。月球發(fā)現(xiàn)有水證據(jù)：一噸土壤含900克水(圖)H+O+H=H2O月球表面特征

大的暗區(qū)稱(chēng)為“月?！?月面上有22個(gè)月海，其中有19個(gè)在朝向地球的半個(gè)月球;月陸又常稱(chēng)作高地，是月面上亮的一些區(qū)域，比月海高１～３公里，約占月球表面總面積的4/5;月球布滿(mǎn)大大小小的隕擊坑。

月壤與月土月球表面覆蓋著的碎巖和細(xì)塵覆蓋層稱(chēng)為“月壤”，而月壤中的細(xì)塵(小于１毫米)另稱(chēng)作“月塵”或“月土”（Lunarsoil）。月壤完全不同于地球土壤，不是風(fēng)化過(guò)程形成的，也不含腐植質(zhì)，而是基巖被隕擊的濺射碎屑沉積的連綿覆蓋層。

已經(jīng)命名的隕石坑有8千多個(gè)月球南極的艾特肯盆地

（AitkenBasin）圖中蘭色區(qū)域?yàn)锳itkenBasin，直徑2500km，深12km，是太陽(yáng)系最大的撞擊坑月球

近邊月球

遠(yuǎn)邊為什么要探測(cè)月球科學(xué)意義月球資源技術(shù)意義科學(xué)意義月球的起源與演變?cè)虑虻目臻g環(huán)境在月球軌道觀(guān)測(cè)地球的空間環(huán)境月球天文臺(tái)在月球上監(jiān)測(cè)近地小行星月球資源核聚變材料——氦3極區(qū)可能存在的水冰稀有礦物資源技術(shù)意義為更遠(yuǎn)的深空探測(cè)做技術(shù)準(zhǔn)備驗(yàn)證一些新技術(shù)推動(dòng)高技術(shù)的發(fā)展月球探測(cè)的形式飛越（flyby）硬著月或軟著月環(huán)月由登月艙取樣返回載人登月建立永久性的基地

月球探測(cè)歷史第一個(gè)飛越月球的探測(cè)器Luna1第一個(gè)硬著月的探測(cè)器Luna2首次在月球表面軟著陸Luna-9第一個(gè)環(huán)月探測(cè)器——Luna10美國(guó)于1968年12月發(fā)射的Apollo8，是第一艘載人的環(huán)月飛船；1970年7月20日，美國(guó)Apollo11號(hào)載人飛船成功登月，并從月球帶回21.7kg的土壤和巖石樣品，這是人類(lèi)首次踏上月球。中國(guó)的“嫦娥”探月計(jì)劃第一步：于2007年發(fā)射環(huán)月探測(cè)衛(wèi)星，對(duì)月球表面進(jìn)行三維成像，探測(cè)近月空間環(huán)境，探測(cè)月球礦物分布；第二步：機(jī)器人在月球表面軟著陸，對(duì)月球表面進(jìn)行實(shí)地探測(cè)；第三步：從月球取樣返回。

1.太陽(yáng)系的構(gòu)成2.行星磁層與極光活動(dòng)

3.月球探測(cè)4.行星探測(cè)

2、類(lèi)地行星水星金星地球火星類(lèi)地行星的主要特征基本上是由巖石和金屬組成固體表面，密度高自旋緩慢沒(méi)有環(huán)衛(wèi)星少類(lèi)地行星研究關(guān)注的問(wèn)題類(lèi)地行星環(huán)境及其演變類(lèi)地行星磁場(chǎng)的源火星上是否有水和生命

水星

Mercury水星水星的基本參數(shù)和表面形態(tài)水星大氣層水星的磁場(chǎng)與磁層水星研究關(guān)注的問(wèn)題1.水星基本參數(shù)和表面形態(tài)到太陽(yáng)的距離：

0.387AU與地球半徑之比：0.383與地球密度之比：0.984平均軌道速度：47.88km/s公轉(zhuǎn)周期：87.969天自轉(zhuǎn)周期：58.646天一個(gè)水星日＝2/3個(gè)水星年水星表面特征隕擊坑：最大直徑1300公里；盆地：在飛船所攝45%水星表面，辨認(rèn)出35個(gè)直徑大于200km的盆地；平原：平坦平原、坑際平原和多丘線(xiàn)狀區(qū)；環(huán)行山、懸崖和谷。水星最大的隕擊坑：直徑1300km水星最熱的地方——

卡路里盆地火星最熱的地方是ClorisBasin，最熱時(shí)達(dá)427℃。在中午，巖石中的鉛、錫被強(qiáng)烈的陽(yáng)光熔化析出，匯聚成金屬液潭；最新探測(cè)結(jié)果比原測(cè)值大.2.水星大氣表面氣壓約10-15bar(地球表面為1.013bar)；主要成分：

He：42%Na：42%;O2：15%;

其它：1%;水星表面溫度最高溫度：427°C,最低溫度：-173°C平均表面溫度：179°C3.水星的磁場(chǎng)與磁層赤道表面磁場(chǎng)約為地球的1%；水星的磁層比地球磁層小，磁層頂距水星中心僅1.3倍水星半徑；水星沒(méi)有電離層。類(lèi)地行星與月球的密度水星研究關(guān)注的問(wèn)題為什么水星的密度那樣高？水星磁場(chǎng)的來(lái)源？水星的地質(zhì)是怎樣演變的？水星的極區(qū)有冰嗎？水星的大氣層有那些揮發(fā)性成分？水星沒(méi)有電離層，磁場(chǎng)怎樣與太陽(yáng)風(fēng)相互作用？水星探測(cè)水手10號(hào)信使號(hào)探測(cè)水星的技術(shù)難點(diǎn)飛船與水星的相對(duì)速度太大飛船在日照時(shí)溫度非常高利用金星的引力助推作用4.2.2金星（Venus)主要內(nèi)容金星的基本參數(shù)金星大氣層金星表面特征金星的基本參數(shù)到太陽(yáng)的平均距離：0.723AU公轉(zhuǎn)周期：224.701天自轉(zhuǎn)周期：243.01天平均軌道速度：35.02km/s平均密度：地球的0.95赤道半徑：地球的0.95體積：地球的0.86質(zhì)量：地球的0.82金星的自轉(zhuǎn)方向與地球相反金星的大氣層表面氣壓:92bar，是地球的92倍主要成分:CO2（96.5%)，氮（3.5%）；次要成分:水汽、二氧化硫等；大氣中有氣輝和閃電，但沒(méi)有積雨云；有電離層和磁層。金星的表面溫