空间物理资料：地概作业2.docx

1、1. 什么是地球空间？答：就是靠近地球的，受太阳辐射变化直接影响的空间区域。太阳辐射变化会改变这部分的厚度与状态，这也会对地球产生显著影响。地球空间的内边界大约离地球表面 60 公里，外边界是太阳风与地磁场相互作用形成的。 分为中高层大气、电离层、等离子体层和磁层。2. 中高层大气的特征及其对军事的影响。答：特征：1) 为从中间层到逃逸层甚至其以上的大气成分。包括热层等气象学概念。2) 热层的温度可达数千 K，其加热源主要是太阳紫外辐射和 X 射线，同时也将这两种对生物有害的辐射阻挡下来。3) 加热源还有太空的带电粒子撞击和电离层中粒子在磁场作用下运动形成的电流。4) 其密度会随时间改变。在

2、40 公里以下的对流层和平流层中密度日变化很小，小于 6%。在 50100 公里处变化为 1025%。 而在 100 公里以上会随太阳和地磁活动而剧烈变化，在磁暴发生几个小时以后密度可增加几倍甚至 10 倍，主要是因为太阳的紫外辐射增强并被高层大气吸收。影响：1) 这层是亚轨道飞行器的飞行范围，可以使飞行器达到极超音速，更快打击目标。2) 载人航天器气动加热严重的区域，这个区域由于高速航天器与大气发生剧烈的摩擦产生高温使航天器附近一层空气电离，能反射所有电磁波，造成了通讯衰减甚至中断，即形成黑障。3) 中程导弹的飞行空间。其改变会严重影响导弹的命中精度和射程。密度值比设计值增大 2040，射程

3、减小 23.047.6km；密度变化5%，爆高误差增加 1km。4) 其对卫星也有较大影响。当磁暴引起大气密度改变时，发射卫星的成功率也会有较大变化。3. 什么是电离层？电离层的结构。答：1) 电离层是地球高层大气的一部分，是高层大气中的中性分子因受太阳的紫外线、X 射线和带电粒子辐射而电离。是地球大气中自由电子密度足以对无线电波传播产生显著影响的区域。其高度范围为 601000km。2) 虽然有足够影响电磁波传播的自由电子存在， 但整体上还是以中性分子为主，其分布还经常受中性风的影响。3) 电离层分为四层：(A) D 层： 分布在 6090km 处， 主要电离源是太阳的拉曼辐射和软 X 射线

4、辐射。因为最靠近地面，电离所需要的辐射最强，所以晚间会消失。由于大气较稠密，所以电子与中性粒子和粒子碰撞频繁，无线电波在这层衰减严重。(B) E 层：分布在 90km160km 处，主要电离源是太阳紫外线和软 X 射线，夜间E 层的电子密度很低。(C) F 层：分布在 160km 以上，是电离层中持久存在的一层，电子密度最大，电离源是 X 射线、极紫外等几乎所有电离辐射。一般将 F 层细分成 F1 和 F2 两个层次，晚上两层会合并为一层。夜间宇宙射线的辐射也会形成微弱的电离作用。(D) 不均匀结构：又称电离层不均匀结构。电离层并不是均匀的一层，而是含有很多“斑”与“泡” 。最常见的就是散见

5、E 层和扩展 F 层，如同电离层中形成的云。4.电磁波在电离层是怎样传播的？答：分为四种：1) 直接视距传播（地波） ：FM 广播和电视的传播方式，电磁波以直线从发送端传播至接收端，会受视距的限制。2) 地球表面与电离层 D 层之间的多次反射传播（大气波导） ：极低频与甚低频信号传播方式，由于频率较低，可被电子密度较低的 D 层反射。其能在地球和电离层之间所构成的“波导管”中传播，稳定可靠。且能超视距传播，能穿入海水数百米深。是 AM 广播和潜艇使用的通信方式。3) 在 E 层或 F 层反射传播（天波） ：中波和短波传播方式。由于频率有所提高，可穿透 D 层，在电离层电子密度较高的 E 层与

6、F 层中来回反射，也是超视距传播。主要用于短波广播、电话、超视距雷达。4) 穿过电离层（卫星通信） ：超高频与极高频波传播方式。由于频率最高，可穿透整个电离层，因此是沿直线视距传播。因此用于卫星通信、雷达和移动通信。复习题：1. 电离层基本知识：电离层分层结构、电离层不规则性、电离层骚扰、电离层暴、电磁波在电离层中的传播特性。答：电离层分层结构见 3 题 3)，电离层不规则性见 3 题 3)项(D)，电磁波在电离层中的传播特性见第 4 题。电离层骚扰：太阳耀斑发出的 X 射线暴使向阳面 D 区的电离密度急剧增加，短波和中波无线电信号立即衰落甚至完全中断 。由于中波和短波需要穿透 D 层进入 E

7、 层和 F 层， 因此当 D 层电离密度急剧增加时穿透所需的频率就增加， 一般中波和短波的频率无法穿透，所以通讯会中断。电离层暴：地磁场发生全球性变化时，电离层状态发生的急剧变化。因为地磁场的变化会作用于电离层的带电粒子上，使之产生异常的运动，因此将电离层的正常形态打乱，使通信适用频率的选择变得困难。2. 为什么极光主要出现在高磁纬地区？答：1） 极光是因为太阳和宇宙中的带电粒子与大气中的中性分子或原子碰撞，使之达到激发态后返回基态时发出的光。2） 而要使带电粒子与大气碰撞，必须使带电粒子距离地面 100km 以内。而在低磁纬地区，因为磁场的分布范围很大，因此大多数带电粒子在磁场的作用下沿磁感

8、线做螺旋运动，无法接近地球。3） 沿磁感线做螺旋运动的粒子根据磁动量守恒定律，其环绕的速度将越来越大，而平行磁感线方向的速度根据能量守恒将越来越小。因此在两极某一点其平行速度将减为 0，粒子此时只有沿磁感线做的圆周运动。4） 如果受到了某些干扰， 粒子会沿原路返回赤道甚至另一极， 称为粒子的弹跳。很容易想到，镜点是带电粒子距地面最近的时刻。5） 某些入射粒子能量较大，会运动得更靠近地面一些， 当距离低于 100km 时就能与大气碰撞，产生极光。由以上可知，只有在磁极附近粒子才有进入大气的可能。因此，极光主要出现在高磁纬地区。3. 辐射带是怎样形成的？答： 由于部分低速的太阳风中的带电粒子运动到

9、地球磁场范围内时被地球磁场捕获，从而环绕地球纵轴运动。众多这样的粒子形成一个距地面 800km 的含有大量带电粒子的带，称为范艾伦辐射带。4. 什么叫磁暴？什么叫亚暴？答： 磁暴是地球磁场的水平分量在一到几个小时内急剧下降而在随后的几天内恢复。主要原因是太阳活动期间，太阳风中大量的带电粒子进入地球空间，并被地磁场捕获。这些粒子绕着赤道做漂移运动，形成环形的电流。由于粒子增多，环电流也增强。强大的环电流产生的磁场与地磁场叠加，使得地磁常的水平分量急剧下降。亚暴是地磁场持续两三个小时的扰动，相当于小规模的磁暴。原因是储存在地球磁尾的太阳风能量瞬时的释放引起的。平均一天出现 45 次，使极光的范围变

10、大，极光强度增加。5. 磁暴的效应答：1） 对输电线路的破坏（在地面的效应） ：磁暴产生的强磁场改变会在大型输电线路中感应出电流，损坏线路。2） 航天器带电（对航天器的效应） ：同时也会在航天器中感应出电流使之带电。3） 高层大气加热（对近地环境的效应） ：在高层大气中使带电粒子运动，加热大气。4） 对宇航员的辐射损害（对载人航天的效应） ：强磁场改变会影响空间中的生物，比如宇航员。5） 通讯受到干扰甚至中断（对电离层的效应） ：磁暴会引起电离层暴，进而影响很多波长的通讯。6） 对人类生存环境的影响（带电粒子对臭氧分布的影响） ：带电粒子会改变臭氧分子的分布，进而改变保护生物免受紫外线伤害的臭氧层的密度和结构。