《空間物理學(xué)》課程教學(xué)大綱

1、空間物理學(xué)Space Physics一、課程基本情況課程類別：專業(yè)任選課課程學(xué)分： 2學(xué)分課程總學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí)，其中講課：32 學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)（含上機(jī)）：0 學(xué)時(shí)，課外0 學(xué)時(shí)課程性質(zhì)：選修開(kāi)課學(xué)期：第5學(xué)期先修課程：高等數(shù)學(xué)，力學(xué)，電磁學(xué)適用專業(yè)：物理學(xué)，應(yīng)用物理學(xué)教 材：自編講義開(kāi)課單位：物理與光電工程學(xué)院 物理系二、課程性質(zhì)、教學(xué)目標(biāo)和任務(wù) 近年來(lái)，人類的航天、通信、導(dǎo)航、能源輸送等高科技活動(dòng)越來(lái)越依賴于地球大氣層之外的空間狀態(tài)。本課程作為我校物理學(xué)類專業(yè)的特色選修課程之一，以日球?qū)觾?nèi)地球?qū)α鲗右陨系目臻g物質(zhì)的狀態(tài)、性質(zhì)以及運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律為主線，重點(diǎn)介紹空間等離子體活動(dòng)的基本現(xiàn)象，包括太陽(yáng)活動(dòng)

2、、太陽(yáng)風(fēng)在行星際空間的傳播，太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層的相互作用、磁層與電離層的耦合等。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生能理解日球?qū)拥入x子體和磁場(chǎng)的基本結(jié)構(gòu)，了解無(wú)處不在、形式各異的空間激波；了解到不同高度空間環(huán)境的監(jiān)測(cè)技術(shù)及?？臻g物理作為一個(gè)研究領(lǐng)域，其開(kāi)拓性和國(guó)際合作性比較強(qiáng)，在本科程的學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生可以了解空間物理學(xué)發(fā)展激蕩人心的歷史，增強(qiáng)探索未知的興趣和科學(xué)精神。三、教學(xué)內(nèi)容和要求第1章 空間物理學(xué)簡(jiǎn)史（4學(xué)時(shí)）1.1 空間觀測(cè)歷史（2學(xué)時(shí)）（1）了解極光觀測(cè)和早期地磁場(chǎng)測(cè)量； （2）理解空間物理成為一門(mén)科學(xué)的要素； 重點(diǎn)：樸素的空間觀點(diǎn)和科學(xué)的空間物理發(fā)展過(guò)程；難點(diǎn)：空間物理科學(xué)觀的要素。1.2 空間探測(cè)歷史

3、（2學(xué)時(shí)）（1）了解電離層，磁層和太陽(yáng)風(fēng)的基本圖像； （2）理解行星際物質(zhì)存在的基本形式； （3）掌握日求層各空間區(qū)域劃分規(guī)則。重點(diǎn)：行星際物質(zhì)的等離子體狀態(tài)的基本參數(shù)；難點(diǎn)：宇宙中等離子體狀態(tài)的分區(qū)。第2章 空間等離子體物理基礎(chǔ)（6學(xué)時(shí)）2.1等離子體的單粒子運(yùn)動(dòng)和集體行為（2學(xué)時(shí)）（1）了解無(wú)碰撞等離子體中帶電粒子運(yùn)動(dòng)的基本特征，及不同層次的描述方式； （2）理解單粒子動(dòng)力學(xué)方程和粒子集體行為的物理圖像；（3）掌握電磁場(chǎng)中，單粒子牛頓運(yùn)動(dòng)方程；等離子體溫度的計(jì)算及其統(tǒng)計(jì)意義。重點(diǎn)：?jiǎn)瘟Ｗ榆壍?；難點(diǎn)：等離子體集體行為。2.2 磁流體力學(xué)（MHD）基本方程及其應(yīng)用（4學(xué)時(shí)）了解流體中質(zhì)量、能量

4、和動(dòng)量守恒律；（2）理解等離子體作為流體的基本條件；MHD中守恒律和Maxwell方程組的基本意義； （3）掌握MHD方程組的基本公式。重點(diǎn)：MDH中的守恒律；難點(diǎn)：MHD方程組及其意義。第3章 太陽(yáng)活動(dòng)和太陽(yáng)風(fēng)（6學(xué)時(shí)）3.1 太陽(yáng)活動(dòng)的基本概念（3學(xué)時(shí)）了解太陽(yáng)結(jié)構(gòu)，太陽(yáng)活動(dòng)的形式，包括太陽(yáng)黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射；理解不同太陽(yáng)活動(dòng)的觀測(cè)特征； （3）掌握太陽(yáng)活動(dòng)的主要周期性變化規(guī)律；重點(diǎn)：太陽(yáng)活動(dòng)的分類和影響。難點(diǎn)：太陽(yáng)活動(dòng)的周期性特征。3.2 太陽(yáng)風(fēng)的物理特征（3學(xué)時(shí)）（1）了解太陽(yáng)風(fēng)的起源和成份； （2）理解太陽(yáng)風(fēng)的空間結(jié)構(gòu)特征，包括大尺度結(jié)構(gòu)和小尺度波動(dòng)； （3）掌握Parker螺

5、旋線方程的推導(dǎo)及其物理圖像；重點(diǎn)：太陽(yáng)風(fēng)的成份和結(jié)構(gòu)；難點(diǎn)：Parker螺旋線方程。第4章 宇宙射線（4學(xué)時(shí)）4.1宇宙線的概念和分類（2學(xué)時(shí)）了解宇宙線起源和分類：太陽(yáng)宇宙線，銀河宇宙線和異常宇宙線掌握地球附近宇宙線通量隨太陽(yáng)活動(dòng)變化的規(guī)律。重點(diǎn)：宇宙線分類和起源；難點(diǎn)：宇宙線隨太陽(yáng)活動(dòng)的變化規(guī)律。4.2 宇宙線對(duì)人類活動(dòng)的影響（2學(xué)時(shí)） （1）了解宇宙射線對(duì)航天器、人類健康、大氣環(huán)境和氣候的影響； （2）理解大氣中宇宙線通量的觀測(cè)方法；重點(diǎn)：宇宙線的直接和間接效應(yīng)；難點(diǎn)：宇宙線的觀測(cè)方法。第5章 磁層與電離層（10學(xué)時(shí)）5.1 磁層的起源與形態(tài)（2學(xué)時(shí)）（1）了解類地行星的磁層形成原因；

6、（2）理解太陽(yáng)風(fēng)與行星磁層相互作用的基本等離子體過(guò)程； （3）掌握地球磁層的形態(tài)特征。重點(diǎn)：磁層的起源；難點(diǎn)：磁層等離子體和磁場(chǎng)的空間分布和運(yùn)動(dòng)特征。5.2 磁暴和亞暴（2學(xué)時(shí)）（1）了解磁暴和亞暴的現(xiàn)象； （2）理解磁暴、亞暴產(chǎn)生的物理過(guò)程； （3）掌握以Dst指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)的磁暴分類法。重點(diǎn)：Dst指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)的磁暴分類法；難點(diǎn)：磁暴、亞暴產(chǎn)生的物理過(guò)程。5.3 輻射帶（2學(xué)時(shí)）（1）了解輻射帶的探測(cè)歷史，人工輻射帶的構(gòu)建； （2）理解輻射帶的形成機(jī)制，及帶內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律； （3）掌握輻射帶的基本特征。重點(diǎn)：輻射帶的探測(cè)方法，帶內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律；難點(diǎn)：輻射帶的形成機(jī)制。5.4 電離層（4學(xué)時(shí)）（

7、1）了解電離層的觀測(cè)，磁層-電離層耦合機(jī)制。（2）理解電離層的形成機(jī)制和特征參量； （3）掌握電離層變化的周期性（日、季、年）及其擾動(dòng)機(jī)制（行擾、突擾、閃爍）；重點(diǎn)：電離層形成機(jī)制和變化規(guī)律；難點(diǎn)：電離層變化及其對(duì)通信的影響，磁層電離層耦合機(jī)制。第6章 再回日球?qū)樱?學(xué)時(shí)）6.1日球?qū)舆吔纾?學(xué)時(shí)）（1）了解日球?qū)拥淖钚绿綔y(cè)結(jié)果與預(yù)測(cè)； （2）理解日球?qū)禹數(shù)幕靖拍?；重點(diǎn)：日球?qū)拥淖钚绿綔y(cè)現(xiàn)狀；難點(diǎn)：日球?qū)舆吔绲奶綔y(cè)現(xiàn)象和推論。6.2 日球?qū)有求w概況和等離子體環(huán)境（1學(xué)時(shí)）（1）了解太陽(yáng)和行星探測(cè)的最新動(dòng)態(tài)； （2）掌握日球?qū)觾?nèi)星體特征和空間環(huán)境特點(diǎn)。重點(diǎn)：火星探測(cè)與移民；難點(diǎn)：日球?qū)虞椛洵h(huán)境。四、課程考核（1）作業(yè)等：作業(yè)6次，課程論文2篇；（2）考核方式：論文+作業(yè)（3）總評(píng)成績(jī)計(jì)算方式：（平時(shí)作業(yè)成績(jī)30%、2篇論文各50%）五、參考書(shū)目1. Margaret G. Kivelson Christopher T. Russell, Introduction to space physics, Cambr