空间物理资料：地球空间概论-重点.doc

1、地球空间地球空间1，地球空间：靠近行星地球的、受太阳辐射变化直接影响的空间区域。内边界大约距离地球表面 60 公里， 外边界是太阳风与地磁场相互作用形成的。2，地球空间构成：中高层大气、电离层、等离子体层、磁层3，研究临近空间（20100 公里）的大气的重要性：亚轨道飞行器的飞行范围（仍受到地球引力牵引，但在一定时间能体验到失重）载人航天器气动加热严重的区域中程导弹飞行空间亚轨道旅游对地观测军事侦察4，臭氧层：大气层的平流层中臭氧浓度相对较高的部分，其主要作用是吸收短波紫外线。距地面 1550 千米高度的大气平流层，集中了地球上约 90%的臭氧，这一区域被成为臭氧层。臭氧层分布在离地 2050

2、 千米的高空，臭氧主要是紫外线产生的。5，联合国相关组织，1985 年法曼南极臭氧，1995 年罗兰-莫里那理论，1995 年诺化奖6，热层的加热源：吸收太阳紫外辐射和 X 射线（最重要）带电粒子加热（高纬地区）电离层电流加热（高纬地区）7，大气密度日变率：40 公里以下： 6%50100 公里：1025%100 公里以上：随太阳活动和地磁活动而变化；在磁暴发生几小时后，密度可增加几倍甚至达 10 倍。8，高层大气密度随太阳活动变化：原因：太阳紫外辐射增强，且被高层大气吸收；变化幅度：340km：10 倍500km：50 倍电离层电离层：1，什么是电离层：2，电离层结构3，电离层扰动4，电磁波

3、在电离层中的传播5，当前电离层研究重点1，电离层：地球高层大气的一部分，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。高度范围：601000 km2,电离层的基本特性：具有足够数量的自由电子和离子，显著地影响电磁波传播。电离度底（1%） ，相当多的大气分子和原子未被电离电子和离子的运动还部分地受中性风的影响3，影响电离层状态的主要因素电离过程：增大电荷密度；主要电离源是来自太阳的短波辐射与粒子辐射复合过程：减少电荷密度；与大气密度、风等因素有关4,电离层分层结构D 层： （6090km）主要电离源：太阳的拉曼 a 辐射 和 软 X

4、 射线辐射夜间 D 层基本消失无线电波在这一层中的衰减严重（原因：大气较稠密，电子与中性粒子和离子的碰撞频繁）E 层： （90160km）电子密度峰值出现在 105110km 之间。主要电离源：太阳紫外线和软 X 射线夜间 E 层的电子密度很低F 层： （160km 以上）是电离层中持久存在、电子密度主极大所在的层次细分为 F1 和 F25，电离层不规则性各种空间尺度的高密度“斑”和低密度“泡” ，统称为不规则性，或不均匀结构。6，电离层扰动突发电离层骚扰：太阳耀斑紫外线和 X 射线突增向阳面电离层电离增强短波无线通信衰减或中断电离层暴： （地磁场发生全球性变化时，电离层状态发生的急剧变化称为

5、电离层暴）正常形态打乱，使得通信使用频率的选择困难。极光极光概念：带电粒子撞击高层大气的分子或原子而激发的绚丽多彩的发光现象地点：主要发生在高磁纬地区，701000km 的范围内1，粒子的沉降磁镜点：粒子被反射的点粒子沉降：如果入射粒子接近与磁场平行，磁镜点降低，若低于 100km，则粒子在反射之前就与大气分子相撞，称为粒子沉降。极光产因：由于地磁场在极区或高（磁）纬地区汇集，带电粒子可以运动到较低的高度，与大气分子相撞，产生极光。2，地球的极光产生：地球大气高层的气体分子或原子（N,O,O2,N2）受磁层电子撞击，会被激发到较高的能态或被电离， 当离子重新俘获电子或激发态原子回到基态的时候，

6、 多余的能量便会以某些特定波长（不同色彩）的光波发射出来。产生极光的要素：大气，磁场和带电粒子3，影响极光颜色的因素：大气成分带电粒子的种类带电粒子的能量4，研究极光的意义极光与太阳活动密切相关由极光频谱可判断沉降粒子种类由极光区分布可判断太阳活动和地磁活动程度，了解空间天气状况辐射带辐射带1，地球辐射带特征辐射带是充满带电粒子的区域，环绕着地球在大约 1.13.3 个地球半径以内和 4.56个地球半径以内的两个区域内，分别称为内辐射带和外辐射带。2，辐射带小结在地球周围由地磁场捕获的高能带点粒子区域按空间区域分内辐射带和外辐射带：内辐射带：在赤道面上离地心 1.13.3 个地球半径，主要是高

7、能质子；外辐射带：在赤道面上离地心 4.56.0 个地球半径，主要由电子组成。地磁地磁1，地磁活动带电粒子沿着磁力线运动产生场向电流产生磁场带电粒子垂直于磁力线运动产生环电流产生磁场这些磁场使正常情况下的地磁场值发生变化，称为地磁扰动，或地磁活动2，磁暴：是地球的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的现象，它是由环电流增强引起的。（是全球范围内地磁场的剧烈扰动，扰动时间持续十几小时到几天）一般分为磁暴急始、主相和恢复相三阶段3，磁暴产生的直接原因：太阳活动期间，大量的带电粒子进入地球空间，并被地磁场捕获。由于粒子增多，环电流也增强。环电流产生的磁场与地磁场叠加，使得地磁场

8、的水平分量发生很大变化。这时，我们就说发生了磁暴。 （由于环电流的形成）磁暴发生与太阳活动有密切关系，大的非重现性磁暴与 CME 联系密切重现性磁暴：有时一次磁暴发生 27 天（一个太阳自转周期）后，又有磁暴发生。这类磁暴称为重现性磁暴。（地磁场中的电子与离子在相反方向漂移梯度漂移：）4，地磁活动指数：表示一定时间间隔内地磁场扰动程度的数字，称为地磁活动指数。常用的有 Kp 指数、Ap、Dst 指数等。数字越大，表示地磁扰动越强。Dst|指数 50nT-小磁暴50nT |Dst|指数 100 nT-大磁暴5，亚暴地磁场持续时间为 2、3 小时的扰动，是存储在地球磁尾的太阳风能量瞬间的释放引起的

9、。引起极光卵增大、增亮。平均一天出现 45 次，每次释放一个中等地震的能量。磁尾：由于太阳风的作用，背着太阳一面的地磁场伸展到非常远的地方，形成一个磁尾，其边界近似圆柱形。极光卵：极区上空极光频繁出现的椭圆形带状区域。6，磁暴和亚暴效应对输电线路的破坏（在地面的效应）航天器带电（对航天器的效应）高层大气加热（对近地环境的效应）对宇航员的辐射损害（对载人航天的效应）通讯受到干扰甚至中断（对电离层的效应）对人类生存环境的影响（带电粒子对臭氧分布的影响）7，磁层太阳风流经地球时，与地球磁场相互作用而在地球周围形成的、地球磁场对带电粒子起控制作用的区域。太阳：1，太阳的结构日核辐射区：太阳厚度的 25

10、%70%，在核心产生的能量由光子向外输送。内表面层对流区：底部的温度高，顶部的温度低，形成对流。太阳大气：从内到外分为光球层、色球层、过渡区和日冕主要成分是氢（质量约占 71%)与氦（质量约占 27%）2，光球层：肉眼可看见的日轮，几百公里厚可见光波段的辐射几乎全部是光球层特征：暗的黑子、亮的光斑、米粒和超米粒结构3，太阳黑子：光球层上的黑色斑点，是光球上温度较低、磁场较高的区域形成过程：高通量的带电粒子和强磁场会阻碍对流，限制热量传输到太阳表面；以至于部分光球层冷却，因此看上去黑一些。4，色球层在光球层上面的不规则层，大约 1500 公里厚。用单色光观测，可以看见它是一个美丽的玫瑰红色的气球

11、，因而得名色球层。5，过渡区：色球层和日冕之间的薄层，在这个层的上下，温度发生急剧变化。6，日冕：过渡区之上是日冕层，延伸到数倍太阳半径处；日冕是温度 108K 的高温、稀薄等离子体7，冕洞：在太阳 X 射线成像中暗的区域称冕洞冕洞是高速太阳风的源8，太阳风：在太阳表面，日冕气体温度很高，足以克服太阳引力，以 400800km/s 的典型速度离开太阳，这个外流的等离子体称为太阳风。太阳风主要由质子和电子组成，也有少量的氦核与重离子；太阳风高速流来自冕洞太阳爆发性活动太阳爆发性活动：1，日冕物质抛射（CME）日冕物质被加热和加速，速度超过逃逸速度而飞向行星际空间；大的 CME 可抛出 10 亿吨

12、物质，喷发速度可达 2000km/s在太阳活动峰年，太阳每天发生大约 3 次 CME；在太阳活动低年，大约每 5 天发生一次 CME2，太阳耀斑太阳爆发性的能量释放过程，持续时间从几十秒到几小时主要特征是电磁辐射急剧增大；在强耀斑期间，紫外和 X 射线辐射可增强 100 倍。一次大耀斑释放的能量高达 1025J，相当于 4 百亿个广岛原子弹在太阳活动高年，每周大约观测到一次耀斑耀斑分级：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）3，CME 与耀斑大约有一半的 CME 与耀斑无关；耀斑伴随着强烈的电磁辐射，并不总

13、有粒子辐射；而 CME 主要是抛射物质（磁化的等离子体）大磁暴与 CME 密切相关，只有同时有强粒子辐射的耀斑才引起磁暴。4，太阳周期性活动太阳电磁辐射与粒子辐射周期性的变化称为太阳的周期性活动。主要周期活动：27 天太阳自转周变化11 年太阳黑子周期变化22 年太阳磁场极性周期变化5，太阳风与日地关系太阳风等离子体是联系太阳活动与地球空间变化的纽带太阳风在接近磁层时的状态直接影响地球空间的变化6，太阳可变性电磁辐射：在 22 年太阳活动周中，可见光波长变化比较小，在短波区（紫外和 X射线）及射频变化可达 100 倍；在耀斑期间 X 射线变化可达 106。在 11 年太阳黑子周中太阳总输出功率

14、变化是千分之几，但足以影响气候变化。带电粒子：包括低能太阳风等离子体和高能粒子，它们携带了太阳的部分能量。太阳风有以 27 天为周期的变化和由于日冕喷射的偶然变化。7，描述太阳活动的主要参数:太阳黑子数10.7cm.射电通量（F10.7）耀斑级日冕物质抛射（CME）太阳风速度8，日冕物质抛射对地球空间的影响磁暴高能电子暴太阳质子事件9，太阳活动影响的时间尺度X 射线暴-8 分钟到达地球-电离层突然骚扰相对论高能粒子-十几分钟到达地球-极区电离层电离增加-影响极区通讯太阳能量粒子-几个小时到达地球-对航天员的危害，对航天器的危害高速太阳风-2 天左右到达地球-磁暴、亚暴星球星球：行星-类地行星水

15、星金星地球火星类木行星木星土星天王星海王星（冥王星）矮行星-谷神星珍娜小天体-流星彗星1，行星的定义：一颗行星是一个天体，它满足:A，围绕太阳运转；B，有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的（近于圆球）形状C，同时清空了所在轨道上的其他天体2，矮行星的定义：一颗矮行星是一个天体，它满足:A，围绕太阳运转；B，有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的（近于圆球）形状C，没有清空所在轨道上的其他天体D，同时，不是一颗卫星3，小天体：其他围绕太阳运转的天体，卫星除外，统称为“太阳系小天体” 。4，库帕带的位置處於距離太陽 40 至 50 天文单位低傾角的軌道上。該處過去一直被認為空

16、無一物，是太陽系的盡頭所在。但事實上這裡滿佈着直徑從數公里到上千公里的冰封物體。库帕带是现时我们所知的太陽系的邊界，是太阳系大多数彗星的來源地。5，有超过一万个小型星体（1 km1000 km）位于火星与木星之间，这个带是小行星带，大部分流星来自于火星与木星之间小行星带。6，彗星，或称扫帚星，是一种天体，由太阳系外围行星形成后所剩余的物质（如冰冻的天气、冰块、尘埃）组成。彗星质量很小，只有地球质量的几千亿分之一，通常沿着扁平的轨道围绕太阳运行。 绕行一周所虚时间由几年至几百万年不等。 部分科学家认为研究彗星可能可以揭露生命源起的秘密。7，类地行星的主要特征：基本上是由岩石和金属组成固体表面，密

17、度高自旋缓慢没有环卫星少大气层压强主要成分地球1.00N2，O2火星0.077CO2，NO2金星92.00CO2，N2水星10 -15He, Na8，类地行星和月球的磁性水星：有普遍磁场，但很弱；没有电离层和辐射带金星：磁矩小于地球的十万分之五，有电离层火星：磁场不超过地球的千分之四，有电离层和磁层月球：没有普遍磁场，磁矩小于地球的一千万分之一月球月球：1，为什么要探测月球科学意义月球资源技术意义军事意义月球的起源与演变月球的空间环境在月球轨道观测地球的空间环境月球天文台在月球上监测近地小行星2，月球：没有大气，表面也没有液态水昼夜温度变化很大，表面最高温度高达123，白天平均温度为107，夜间平均温度为-153，夜半球温度最低达-233。3，月球表面特征：大的暗区成为“月海”；月面上有22个月海，其中19个在朝向地球的半个月球；月陆又常称作高地，是月面上亮的一些区域，比月海高13公里，约占月球表面总面积的4/5月球布满大大小小的陨击坑4，月壤与月土月球表面覆盖着的碎岩和细尘覆盖层称为“月壤”，而月壤中的细尘（小于1毫米）另称作“月尘”或“月土”月壤完全不同于地球土壤，不是风化过程形成的，也不含腐殖质，而是基岩被陨击的溅射碎屑沉积的连绵覆盖层