地球科學概論課件1-大氣層介紹

地球科學概論

----空間科學部分

北京大學地球與空間科學學院

宗秋剛教授地球科學概論本課宗旨:概括地了解地球科學的主要內(nèi)容,為深入學習打下基礎(chǔ),為選擇專業(yè)提供參考主要內(nèi)容:Part1：空間科學地球空間，日地空間物理,行星科學與空間探測

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

教室：理教408，宗秋剛

;王彥賓

;張顯峰

時間：周一/3～4節(jié)；周四/3～4節(jié)（雙周）

宗老師上課時間：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）行星物理空間探測本課內(nèi)容的側(cè)重點各個區(qū)域的基本特征

重點必備的基礎(chǔ)知識

基礎(chǔ)怎樣研究這些問題

方法當前關(guān)注的主要問題

一般Textbooks：太空探索焦維新傅綏燕編

空間天氣學焦維新編

空間天氣王勁松呂建永編

太陽風暴揭秘總裝備部科普：TheExplorationoftheEarth'sMagnetosphereFromStargazerstoStarships課本與本課內(nèi)容有關(guān)的網(wǎng)站Multimedia：包含太空的各類圖片Missions：介紹過去、現(xiàn)在和將要發(fā)射的航天器

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

手機：本課涉及的專業(yè)課程地球的中高層大氣與電離層磁層物理太陽與太陽風物理太陽系行星科學我們或多或少知道的空間現(xiàn)象10地球偶極磁場超新星爆發(fā)與宇宙線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彗星與太陽風彗星馬王堆帛書的彗星臨摹圖

(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一萬個小型星體（1km–1000km）位于火星與木星之間，這個帶是小行星帶，大部分流星來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·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，居日中央?！睒O光182600BC《河圖稽命征》上說：“附寶（黃帝之母）見大電光繞北斗權(quán)星，照耀郊野，感而孕二十五月，而生黃帝軒轅于青邱?！?9Dst=-287射線極光2020Dst=-287射線極光極光弧22幕狀極光BlokkeninSortland,NorwayApr.3,2010

ZoltanKenwell,NorthofEdmonton,Alberta,Canada,Apr.1,2010彌散極光24LanceParrish,

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！從天上看極光30極光的色彩紅色藍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)

受來自磁層電子撞擊，會被激發(fā)到較高的能態(tài)或被電離，當離子重新俘獲電子或激發(fā)態(tài)原子回到基態(tài)的時候，多余的能量便會以某些特定波長（不同色彩）的光波發(fā)射出來。3要素：大氣，磁場和帶電粒子極光發(fā)生的地點！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32NATURE|VOL432|4NOVEMBER2004強磁暴(Dst<-100nT)什么是磁暴?

磁暴是地球的磁場的水平分量在一到幾個小時內(nèi)急劇下降而在隨后的幾天內(nèi)恢復。“AgeomagneticstormischaracterizedbyamainphaseduringwhichthehorizontalcomponentoftheEarth’slowlatitudemagneticfieldsaresignificantlydepressed

overatimespanofonetoafewhoursfollowedbyitsrecoverywhichmayextendoverseveraldays(Rostoker,1997)”.Noteothercurrents(e.g.magnetopausecurrentsalsocancontributetoDst).磁暴急始主相恢復相初相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，外邊界是太陽風與地磁場相互作用形成的.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，擴展到幾十個地球半徑地磁場地磁場產(chǎn)生：磁流體發(fā)電機地球空間構(gòu)成中高層大氣電離層等離子體層磁層電磁波頻譜可見光圖象紅外圖像空間科學概論

中高層大氣與電離層

熱層的加熱源吸收太陽紫外輻射和X射線（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：隨太陽活動和地磁活動而變化；在磁暴發(fā)生幾個小時以后，密度可增加幾倍甚至達10倍。太空中的夕陽西下。太陽在地球后面落下，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活動變化原因：太陽紫外輻射增強，且被高層大氣吸收；變化幅度：340km：10倍500km：50倍太陽活動周變化導致高層大氣溫度和密度變化太陽活動周（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加熱嚴重的區(qū)域中程導彈飛行空間亞軌道旅游對地觀測軍事偵察臭氧層是指大氣層的平流層中臭氧（O3）濃度相對較高的部分，其主要作用是吸收短波紫外線。大氣層的臭氧主要以紫外線撞擊雙原子的氧氣，把它分為兩個原子，然后每個原子和沒有分裂的氧氣合并成臭氧（O3）。臭氧分子不穩(wěn)定，紫外線照射之后又分為氧氣分子和氧原子，形成一個臭氧-氧氣循環(huán)過程。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產(chǎn)生的。臭氧層南極臭氧洞聯(lián)合國相關(guān)組織為防止臭氧層空洞進一步擴大，決定成立保護臭氧層工作組，并制定出保護臭氧層的議定書。1995年諾貝爾化學獎授于對臭氧層的濃度平衡機制研究卓有成效的3位大氣化學家，克魯岑、羅蘭和莫里那。1985年，法曼發(fā)現(xiàn)南極臭氧層有嚴重損失，1995年初，美國太空總署發(fā)布了衛(wèi)星遙感測量結(jié)果，證實了羅蘭-莫里那理論，使人們認識到臭氧層對于生命、全球氣候以及人類的未來至關(guān)重要。人造飛行器：軌道美國亞軌道戰(zhàn)機：空天飛機

美國國防部準備在未來5年內(nèi)部署太空戰(zhàn)機（亞軌道飛行器）。這種飛行器將從美國本土發(fā)射，2小時內(nèi)向世界任何地方投放常規(guī)武器。

美國超級X系列試驗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：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最高速度達到9.6馬赫,遠超過子彈速度

手槍子彈的初速一般在300-500米/秒，與音速（340米/秒）比較接近。運動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。注意到機身周圍激波面附近由于普朗特-格勞厄脫奇點（Prandtl-Glauertsingularity）效應產(chǎn)生的圓錐形云霧。音障（Soundbarrier），是一種物理現(xiàn)象。當物體（通常是航空器）的速度接近音速時，將會逐漸追上自己發(fā)出的聲波。此時，由于機身對空氣的壓縮無法迅速傳播，將逐漸在飛機的迎風面及其附近區(qū)域積累，最終形成空氣中壓強、溫度、速度、密度等物理性質(zhì)的一個突變面——激波（ShockWave）面。音障美軍測試速度達20馬赫的獵鷹飛行器“獵鷹”極超音速飛行器設(shè)計速度最高為24000公里/小時(音速的22倍)、飛行高度可達30-45公里。第一架“獵鷹”將于2007年9月份完成首次持續(xù)時間為1小時的試飛。航天器返回地面遇到的問題航天器進入大氣層的速度為25馬赫，在大氣層中將產(chǎn)生嚴重的氣動加熱，機翼前緣的溫度5分鐘后就增加到1100

C。航天飛機返回過程的氣動加熱黑障區(qū)(Blackoutzone)，是導彈彈頭和航天器返回艙等再入體返回大氣層時，因再入體表面超高速摩擦形成高溫等離子區(qū)導致無線電信號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)射信號的頻率和功率等。黑障現(xiàn)象給載人飛船再入返回時的實時通信、載入測量造成困難黑障中程和洲際導彈飛行空間中程導彈最高點：100公里左右洲際導彈飛行在幾百公里高的外層空間它有精密的制導系統(tǒng)，飛行一萬多公里，彈頭命中目標一般誤差不超過一公里，甚至只有幾十米。如美國MX導彈精度達到90米。影響導彈命中精度的因素：大氣密度和風亞軌道環(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)律稀薄氣體動力學激波加熱亞軌道飛行器的影響高層大氣對衛(wèi)星的影響衛(wèi)星軌道：衛(wèi)星壽命：衛(wèi)星返回時的加熱、回落點；高層大氣風切變影響航天器發(fā)射成功率。高層大氣對

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

密度變化±5%，爆高誤差1km；美國民兵核導彈（100萬噸當量）摧毀地下發(fā)射井時，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，因受太陽的紫外線、X射線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無線電波傳播產(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％），相當多的大氣分子和原子未被電離;電子和離子的運動還部分地受中性風的影響。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：太陽的拉曼

輻射和軟X射線輻射夜間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，無線電波在這一層中的衰減嚴重。

E層

高度范圍90~160km電子密度峰值出現(xiàn)在105~110km之間。主要電離源是太陽紫外線和軟Ｘ射線夜間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層細分成F1和F2兩個層次。

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E層和擴展F。散見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E層

的電子密度分布3、電離層擾動太陽電磁輻射和粒子輻射的增強引起的電離層狀態(tài)變化。太陽耀斑發(fā)出的X射線暴使向陽面D區(qū)的電離密度急劇增加，短波和中波無線電信號立即衰落甚至完全中斷。突發(fā)電離層騷擾突發(fā)電離層騷擾太陽耀斑→紫外和X射線突增→向陽面電離層電離增強→短波無線電通信衰減或中斷電離層暴地磁場發(fā)生全球性變化時，電離層狀態(tài)發(fā)生的急劇變化稱為電離層暴；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.無線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）在E層或F層反射傳播（天波）穿過電離層（衛(wèi)星通信）電磁波譜極低頻（ELF)與甚低頻(VLF)傳播極低頻信號在地球和電離層之間所構(gòu)成的“波導管”中傳播，穩(wěn)定可靠。極低頻波的特點超視距傳播能穿入海水