地球空間環(huán)境緒論2014

1、地球空間環(huán)境地球空間環(huán)境課程內容大綱課程內容大綱一、地球空間環(huán)境概況一、地球空間環(huán)境概況二、高層大氣結構與大氣環(huán)流二、高層大氣結構與大氣環(huán)流三、地球空間磁場和空間電場三、地球空間磁場和空間電場四、中低緯電離層現(xiàn)象四、中低緯電離層現(xiàn)象五、高緯電離層現(xiàn)象五、高緯電離層現(xiàn)象六、太陽風與磁層六、太陽風與磁層主要參考書主要參考書地球空間環(huán)境概述地球空間環(huán)境概述太陽風壓縮地球磁場示意圖太陽風壓縮地球磁場示意圖地球偶極磁場示意圖地球偶極磁場示意圖 地球空間環(huán)境概述地球空間環(huán)境概述太陽風示意圖太陽風示意圖地球空間環(huán)境概述地球空間環(huán)境概述被太陽風包圍著的地磁空腔被太陽風包圍著的地磁空腔地球空間環(huán)境概述地球空間環(huán)

2、境概述地球大氣的垂直分層地球大氣的垂直分層地球高層大氣的垂直分層結構地球高層大氣的垂直分層結構地球磁層示意圖地球磁層示意圖磁層頂磁層頂磁鞘磁鞘弓激弓激波波磁層磁層頂頂?shù)厍蚩臻g環(huán)境概述地球空間環(huán)境概述磁層結構-子午面磁層結構-子午面日地能量傳輸日地能量傳輸 19611961年年DungeyDungey首次提出磁層頂?shù)氖状翁岢龃艑禹數(shù)拇艌鲋芈?lián)磁場重聯(lián)理論，認為地磁場和起源于太陽的行星際理論，認為地磁場和起源于太陽的行星際磁場在特定磁場在特定 條件下可以互相聯(lián)通，形成條件下可以互相聯(lián)通，形成 開放磁力線，太陽風通過開放磁力線向開放磁力線，太陽風通過開放磁力線向 地球空間傳輸物質和能量，地球空間傳輸物

3、質和能量， 這對于理解這對于理解 日地能量傳輸過程日地能量傳輸過程至關重要。至關重要。 1978-19791978-1979年，年，ISEEISEE系列衛(wèi)星證實了向陽面系列衛(wèi)星證實了向陽面 磁層頂?shù)姆€(wěn)態(tài)重聯(lián)過程，并發(fā)現(xiàn)瞬時重聯(lián)磁層頂?shù)姆€(wěn)態(tài)重聯(lián)過程，并發(fā)現(xiàn)瞬時重聯(lián)產(chǎn)生的通量傳輸事件。產(chǎn)生的通量傳輸事件。磁場重聯(lián)數(shù)值模擬磁場重聯(lián)數(shù)值模擬磁場重聯(lián)示意圖磁場重聯(lián)示意圖能量儲存和耗散能量儲存和耗散 太陽風與磁層相互作用過程中，太陽風的動能太陽風與磁層相互作用過程中，太陽風的動能不斷向磁層輸運，并以磁能形式儲存在磁尾。不斷向磁層輸運，并以磁能形式儲存在磁尾。 在背陽面，磁力線被拉伸成尾狀，處于不穩(wěn)定在背陽

4、面，磁力線被拉伸成尾狀，處于不穩(wěn)定位型，在一定條件下，這些輸入的能量會突然位型，在一定條件下，這些輸入的能量會突然釋放，以激烈的方式耗散，極光帶電離層、磁釋放，以激烈的方式耗散，極光帶電離層、磁層和等離子體層以及磁尾整體受擾，表現(xiàn)出光、層和等離子體層以及磁尾整體受擾，表現(xiàn)出光、電磁、等離子體等多方面現(xiàn)象。電磁、等離子體等多方面現(xiàn)象。亞暴亞暴就是這種就是這種磁層能量釋放的過程，是磁尾的一種激烈而頻磁層能量釋放的過程，是磁尾的一種激烈而頻繁的運動形式。繁的運動形式。極極 光光高能電子沉降到極區(qū)電離層高度，撞擊中性大高能電子沉降到極區(qū)電離層高度，撞擊中性大氣（主要是氧和氮氣（主要是氧和氮) )，使其

5、受激輻射進而發(fā)，使其受激輻射進而發(fā)光，與熒光燈的原理相似。極光一般發(fā)生在光，與熒光燈的原理相似。極光一般發(fā)生在極區(qū)極區(qū)100-400100-400公里高度，但在強磁暴時也可公里高度，但在強磁暴時也可能在低緯看到。能在低緯看到。耀斑的電磁輻射（比如X射線）9分鐘就可以到達地球,并引起整個向陽面的短波中斷。1-2小時之后，高能粒子到達地球，對太空中的宇航員帶來致命傷害，一些敏感的衛(wèi)星也會造成毀滅性破壞。一次日冕物質拋射可以攜帶10億噸的物質并加速到數(shù)百萬公里/小時,其2小時內的能量可以提供美國10萬年的電力。Observations of coronal mass ejections (CMEs)

6、 Large Angle Spectrometric Coronagraph (LASCO) Solar and Heliospheric Observatory (SOHO)日食期間顯現(xiàn)的日冕日食期間顯現(xiàn)的日冕太陽耀斑太陽耀斑活躍的太陽表面活躍的太陽表面太陽風暴歷史重大災難事件太陽風暴歷史重大災難事件1 1 18591859年年9 9月月1 1日早晨，英國天文學家理查德日早晨，英國天文學家理查德卡林頓用裝著卡林頓用裝著過濾器的望遠鏡觀測太陽表面時，他發(fā)現(xiàn)太陽表面噴射出過濾器的望遠鏡觀測太陽表面時，他發(fā)現(xiàn)太陽表面噴射出了一道明亮的閃光。然而卡林頓不知道的是，那團明亮的了一道明亮的閃光。然而卡林

7、頓不知道的是，那團明亮的斑點是一團帶著電荷的等離子云，它正朝著地球的方向疾斑點是一團帶著電荷的等離子云，它正朝著地球的方向疾速飛來。速飛來。4848小時后，小時后，“超級太陽風暴超級太陽風暴”就襲擊了地球，導就襲擊了地球，導致熱帶地區(qū)的夜空都能看到極光，這些極光是如此明亮，致熱帶地區(qū)的夜空都能看到極光，這些極光是如此明亮，以至于人們在午夜時分不用點燈都能閱讀報紙。以至于人們在午夜時分不用點燈都能閱讀報紙。“超級太超級太陽風暴陽風暴”導致當時的許多電報機都癱瘓。此次太陽風暴是導致當時的許多電報機都癱瘓。此次太陽風暴是有記錄以來強度最大的一次有記錄以來強度最大的一次，不過在，不過在18591859

8、年，世界主要還年，世界主要還依靠蒸汽機和肌肉勞力在運轉，所以當年的依靠蒸汽機和肌肉勞力在運轉，所以當年的“超級太陽風超級太陽風暴暴”并沒有給人類帶來過于嚴重的災難。并沒有給人類帶來過于嚴重的災難。 太陽風暴歷史重大災難事件太陽風暴歷史重大災難事件2 219891989年年3 3月發(fā)生了近代科學史上罕有的超級磁暴。在此期間，大量月發(fā)生了近代科學史上罕有的超級磁暴。在此期間，大量飛行物軌道改變，造成跟蹤辨認困難；對地靜止通信衛(wèi)星為維持飛行物軌道改變，造成跟蹤辨認困難；對地靜止通信衛(wèi)星為維持其正常姿態(tài)，兩天內所耗的燃料相當于正常運行一年的用量；電其正常姿態(tài)，兩天內所耗的燃料相當于正常運行一年的用量；

9、電離層暴使低緯度無線電通訊幾乎完全失效，輪船、飛機導航系統(tǒng)離層暴使低緯度無線電通訊幾乎完全失效，輪船、飛機導航系統(tǒng)失靈；高能粒子流的突然增加，致使日本同步氣象衛(wèi)星指令系統(tǒng)失靈；高能粒子流的突然增加，致使日本同步氣象衛(wèi)星指令系統(tǒng)一半失效或永久損壞，宇航員眼睛的視網(wǎng)膜受到高能粒子轟擊而一半失效或永久損壞，宇航員眼睛的視網(wǎng)膜受到高能粒子轟擊而閃光；地磁暴使加拿大魁北克省輸電系統(tǒng)因強大的感應電流燒毀閃光；地磁暴使加拿大魁北克省輸電系統(tǒng)因強大的感應電流燒毀了主變壓器而引起電網(wǎng)損壞。了主變壓器而引起電網(wǎng)損壞。600600萬居民停電萬居民停電9 9小時之久，損失功小時之久，損失功率近率近200200億瓦，直

10、接經(jīng)濟損失達億瓦，直接經(jīng)濟損失達5 5億美元。億美元。在這個太陽高峰期里，高能粒子造成我國在這個太陽高峰期里，高能粒子造成我國“風云二號風云二號B B”氣象衛(wèi)星氣象衛(wèi)星于于19901990年提前報廢。年提前報廢。太陽風暴歷史重大災難事件太陽風暴歷史重大災難事件3 3 20032003年年1010月底至月底至1 1月初的太陽爆發(fā)事件產(chǎn)生廣泛的影響：月初的太陽爆發(fā)事件產(chǎn)生廣泛的影響：瑞典的瑞典的SydkraftSydkraft電力集團報道，北歐上空強烈的地磁誘導電流電力集團報道，北歐上空強烈的地磁誘導電流 引起了變壓器事故，導致一套系統(tǒng)崩潰及電力供應中斷。引起了變壓器事故，導致一套系統(tǒng)崩潰及電力供

11、應中斷。其高強度輻射暴能級促使其高強度輻射暴能級促使NASANASA發(fā)出了令國際太空站的宇航員進入發(fā)出了令國際太空站的宇航員進入預防掩體的飛行指令。預防掩體的飛行指令。航空公司在其高緯度航線中采取了從沒有過的飛行方式來避開高航空公司在其高緯度航線中采取了從沒有過的飛行方式來避開高輻射能級和通信中斷區(qū)域。航程變更給航空公司的每次飛行增加輻射能級和通信中斷區(qū)域。航程變更給航空公司的每次飛行增加了了$10,000 $10,000 到到 $100,000$100,000的開支。的開支。該太陽風暴被懷疑是導致價值該太陽風暴被懷疑是導致價值$640,000,000 $640,000,000 的的ADEOS

12、-2ADEOS-2飛行器損飛行器損毀，該飛行器搭載了毀，該飛行器搭載了NASANASA的價值的價值$150,000,000 $150,000,000 的海洋風場監(jiān)測的海洋風場監(jiān)測設備。由于此次太陽爆發(fā)的高強度和變化性，絕大多數(shù)易受空間設備。由于此次太陽爆發(fā)的高強度和變化性，絕大多數(shù)易受空間天氣攻擊的工業(yè)部門在運行過程中都經(jīng)受了某種程度的影響。天氣攻擊的工業(yè)部門在運行過程中都經(jīng)受了某種程度的影響。 研究地球空間環(huán)境的意義研究地球空間環(huán)境的意義 科學的角度科學的角度 天然的實驗室天然的實驗室 等離子體物理等離子體物理, ,波動波動 應用的角度應用的角度 地球空間環(huán)境及其災害性擾動對人地球空間環(huán)境及其災害性擾動對人類的生存與活動的影響。類的生存與活動的影響。 Historic ionosondingu In 1930s, Prof. C. T. Gui（桂質廷桂質廷） brought an ionosonder from USA to WHU and initiated routine ion