第一章地球的空間動(dòng)力學(xué)環(huán)境

第一章地球的空間動(dòng)力學(xué)環(huán)境第一節(jié)比較行星學(xué)第二節(jié)地球空間電磁環(huán)境第一節(jié)比較行星學(xué)

ComparativePlanetology人類對(duì)地球的認(rèn)識(shí)的飛躍，一方面來自對(duì)地球自身特別是其深部過程的了解，另一方面來自人造衛(wèi)星和各種行星探測(cè)器獲得了豐富的全新的資料。從更廣闊的角度來觀察和了解地球，把地球作為太陽系的行星之一，與其它行星作比較和研究。在太陽系中，類地行星（水星、金星、火星，以及地球的衛(wèi)星月球），與地球更為相似。另外，大行星的一些衛(wèi)星，也有可比擬之處。對(duì)它們的研究，對(duì)地球動(dòng)力學(xué)研究很有啟發(fā)和借鑒。比較行星學(xué)比較行星學(xué)是天文學(xué)、地球科學(xué)、空間科學(xué)和空間探測(cè)交叉滲透產(chǎn)生的一門新興學(xué)科；它以地球科學(xué)的研究為基礎(chǔ)，將地球置于太陽系的時(shí)空尺度里；對(duì)比研究太陽系各類天體（重點(diǎn)為類地行星）的物質(zhì)組成、大氣層的成分與結(jié)構(gòu)、空間與表面環(huán)境、地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與物理場(chǎng)等共性與特性，綜合分析研究地球、各行星和整個(gè)太陽系的形成演化特點(diǎn)與規(guī)律。太陽系和行星太陽系：由太陽、行星及其衛(wèi)星、小行星、彗星和行星際物質(zhì)組成的一個(gè)天體系統(tǒng)。行星類地行星：水星、金星、火星，地球相對(duì)質(zhì)量小、體積小、密度高、旋轉(zhuǎn)慢、衛(wèi)星少甚至沒有、揮發(fā)性元素豐度較低，具有固體巖石表面，可用地質(zhì)學(xué)的方法進(jìn)行研究。類木行星：木星、土星、天王星、海王星、冥王星（2006年剔除）主要由氫、氦和其他輕元素組成，它們質(zhì)量大、體積大、密度低、旋轉(zhuǎn)快、衛(wèi)星多、揮發(fā)性元素豐度很高。冥王星是一個(gè)小的石質(zhì)行星，具有獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)軌道和物理化學(xué)性質(zhì)。1.1太陽系類地行星和

類木行星水星金星地球火星木星土星天王星海王星密度質(zhì)量水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星水星金星地球火星木星土星天王星海王星冥王星波德定律

行星N預(yù)測(cè)日心距實(shí)測(cè)日心距水星43.9金星04+3=77.2地球14+3X21=1010.0火星24+3X22=1615.2小行星34+3X23=2827.7木星44+3X24=5252.6土星54+3X25=10095.5天王星64+3X26=196192.0海王星74+3X27=388300.7(冥王星)84+3X28=772395.2到太陽距離軌道偏心率2006年，國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)，立下了行星的新定義：一顆行星首先要是一個(gè)天體，它滿足(a)圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，(b)有足夠大的質(zhì)量來克服固體應(yīng)力以達(dá)到流體靜力平衡的(近于圓球)形狀，同時(shí)(c)清空了所在軌道上的其他天體。比較行星學(xué)太陽系類地行星：水星、金星、火星，以及地球的衛(wèi)星月球類木行星：木星、土星、天王星、海王星太陽系各星體大體在同一時(shí)刻有共同起源，有特點(diǎn)，又有共同點(diǎn)。組成、內(nèi)部構(gòu)造和外部特征由各自的形成過程和隨后的地質(zhì)過程所形成和改變的。地質(zhì)過程由物質(zhì)和能量?jī)煞矫鏇Q定。當(dāng)今，太陽系探測(cè)的6個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域是：（1）月球探測(cè)；（2）火星探測(cè)；（3）水星與金星的探測(cè)；（4）巨行星及其衛(wèi)星的探測(cè)；（5）小行星探測(cè)；（6）彗星的探測(cè)。類地行星水星金星地球（月球）火星1.2水星Mercury取自信使神太空船的水星合成影像水星Mercury幾乎沒有大氣層(p<0.003大氣壓)。表面很象月球，充滿了不同大小的環(huán)形山和洼地。隕石沖擊期比月球火山活動(dòng)強(qiáng)烈。有一些延伸20-500km，高幾百米到3km的懸崖，可能是冷卻收縮而產(chǎn)生的構(gòu)造，其形成時(shí)間比較古老。高地和洼地反射率相近而為淺色，與月球不同。水星的平均密度為5440kg/m3，高密度表明它可能有一個(gè)被硅酸巖石覆蓋的巨大鐵核。水星有磁場(chǎng)，相對(duì)它的大小來說磁場(chǎng)是很強(qiáng)的，可能源于核的液體部分的發(fā)電機(jī)作用。

撞擊盆地和坑穴信使號(hào)飛越水星的第二張影像?？乱敛矒艨觿偤梦挥谥醒?。廣泛的射紋系統(tǒng)來自頂部附近的北齋撞擊坑。水星的卡洛里盆地是在太陽系內(nèi)最大的撞擊特征之一。水星磁場(chǎng)水星仍有值得注意的全球性磁場(chǎng)。強(qiáng)度僅有地球的1.1%。像地球一樣，水星的磁場(chǎng)是雙極的。這個(gè)磁場(chǎng)可能是經(jīng)由發(fā)電機(jī)效應(yīng)形成的，有些類似于地球的磁場(chǎng)。1.3金星Venus經(jīng)過處理后的金星圖像。其表面被一層厚厚的云遮蓋著。金星Venus大小、整體質(zhì)量和密度都與地球相似。公轉(zhuǎn)周期225日，以243天周期逆行自轉(zhuǎn)，一金星日相當(dāng)117地球日。有主要為CO2構(gòu)成的濃密的大氣層，表面大氣壓接近10MPa（90大氣壓），表面溫度達(dá)480C。（鉛可以熔化），水蒸汽含量微不足道。云層迅速運(yùn)動(dòng)（4日環(huán)金星旋轉(zhuǎn)一周）。盡管大小與地球相似，也有鐵核，可沒有全球性磁場(chǎng)。（可能自轉(zhuǎn)太慢的原因）雷達(dá)測(cè)高表明有平原和高地，高地為大面積隆起，有的面積相當(dāng)兩個(gè)青藏高原。有地山脈高于平均半徑12km。有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，有火山活動(dòng)，有隕石沖擊，但沒有板塊構(gòu)造。表面3－5億年玄武巖漿重新更新。金星地形在金星表面的大平原上有兩個(gè)主要的大陸狀高地。北邊的高地叫伊師塔地，擁有金星最高的麥克斯韋山脈（大約比喜馬拉雅山高出兩千米），大約有澳大利亞那么大。南半球有更大的阿佛洛狄忒陸，面積與南美洲相當(dāng)?；鹕交顒?dòng)垂直方向被放大了22.5倍的馬特山撞擊坑在金星表面的撞擊坑（影像由雷達(dá)數(shù)據(jù)重建）隕坑裂谷1.5火星Mars火星MarsLowell曾發(fā)現(xiàn)運(yùn)河、極冠，火星人成為科學(xué)幻想小說主題。大氣壓為5-7mbar，海盜著陸點(diǎn)夏季平均溫度為-60C，冬季為-120C。地形極復(fù)雜，可分為古老地形(高地)、經(jīng)改造的地形(平原、運(yùn)河、溝槽地形等)，火山地形，及極地地形等。最大的火山直徑600km，高8km，遠(yuǎn)大于Hawaii。鮮明的水流痕跡。人們?cè)?jīng)認(rèn)為河道是古老的痕跡，但現(xiàn)發(fā)現(xiàn)新老皆有?；鹦堑刭|(zhì)條件火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、礫石遍布，沒有穩(wěn)定的液態(tài)水體。二氧化碳為主的大氣既稀薄又寒冷，沙塵懸浮其中，每年常有塵暴發(fā)生。與地球相比，地質(zhì)活動(dòng)不活躍?；鹦堑乇淼孛泊蟛糠萦谶h(yuǎn)古較活躍的時(shí)期形成，充滿撞擊坑，有密布的隕石坑、火山與峽谷，包括太陽系最高的山：奧林帕斯山和最大的峽谷：水手號(hào)峽谷。另一個(gè)獨(dú)特的特征是南北半球的明顯差別：南方是古老、充滿隕石坑的高地，北方則是較年輕的平原，兩極皆有主要以水冰組成的極冠，而上覆的干冰會(huì)隨季節(jié)消長(zhǎng)?；鹦堑匦喂派蜃矒艨映錆M沙石的地表Endurance撞擊坑中的沙丘火山EnormousShieldVolcanoesOlympusMonsis600kmacrossitsbaseandabout25kmabovethesurroundingplain.火星探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)進(jìn)一步探測(cè)近火星空間和火星表面的環(huán)境，包括火星磁層、電離層、磁場(chǎng)和重力場(chǎng)的特征；檢測(cè)火星大氣層的結(jié)構(gòu)、成分，氣象和氣候特征及其變化特征，尋找過去氣候變化的證據(jù)，研究火星氣象與氣候的演化歷史及未來變化趨勢(shì)；精細(xì)探測(cè)火星地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造，土壤與巖石的礦物與化學(xué)成分特征，特別是沉積巖的分布范圍、形成的相對(duì)年齡，研究火星水體產(chǎn)生、演化與消失過程的探測(cè)與研究；火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測(cè)及與地球的對(duì)比研究，探討類地行星的演化史；尋找火星曾經(jīng)發(fā)育過生命的證據(jù)；探測(cè)火星上可能存在的可利用資源；在火星上建立觀察站和實(shí)驗(yàn)室的探索研究。1.6Moon月球從地球的北半球看見的剛過滿月的月球。月球結(jié)構(gòu)月球是一個(gè)已經(jīng)分異的天體，即它擁有地殼、地幔、和核心。地殼的平均厚度約為50公里。內(nèi)核富含固態(tài)鐵，半徑大約為240公里。此外還有一個(gè)流體的外核，主要成分是液態(tài)鐵，半徑大約為300公里。地球的衛(wèi)星-月球月球上有“?！?、高地、環(huán)形山等。海為暗色，巖石富Ca、Al。高地為亮色，富Fe、Mg等。多數(shù)礦物與地球相同，但無水，無游離氧。月表復(fù)蓋月壤，厚1-10m。為隕石、宇宙塵和宇宙射線的產(chǎn)物。60km月殼，下為月幔，可能有核。月震發(fā)生在800-1000km深部，每年約3000次。由潮汐力引起。月震年釋放能量?jī)H為地震的100億分之一。也記到10kg以上的隕石沖擊，每年約70-150次。1964到1969年先后有10次空間探測(cè)器，1969年Apollo-11在月球登陸后，人類又9次登月取樣，得到381.3kg月巖樣品。最年輕的熔巖(海)31-38億年，高地年齡為40-43億年，熔融分異估計(jì)在44億年前，釹-釤法定最老的綠色巖46億年。最初幾百萬年月球表面可能全部熔化，然后外殼冷卻，31-38億年巖漿活動(dòng)，現(xiàn)在已成為死的星球。海下有高密度體(質(zhì)瘤)，冷而強(qiáng)的月體可以支持，幾乎沒有磁場(chǎng)。月球地形在月球表面上用肉眼可以清楚看見有黑暗的，相對(duì)平坦的平原，稱之為月海。月球上較亮的部分被稱為“高地”，因?yàn)樗鼈兏哂诖蠖鄶?shù)的月海。另一個(gè)會(huì)影響月球表面地形的主要地質(zhì)事件是撞擊坑。高地海月球重力和磁場(chǎng)月球的重力是地球的六分之一。月球重力場(chǎng)主要的特征是擁有質(zhì)量瘤，即在一些巨大的撞擊盆地卻反而出現(xiàn)較重的重力分布，這可能與組成這些盆地的玄武巖熔巖流密度較大有關(guān)系。月球擁有一個(gè)強(qiáng)度不到地球磁場(chǎng)百分之一，范圍在1至數(shù)百nT之間的外在磁場(chǎng)。月球上已被發(fā)現(xiàn)有類似質(zhì)量瘤的異常的磁場(chǎng)區(qū)。月球的磁場(chǎng)并不是由液體金屬核心產(chǎn)生的，而可能是在月球演化的歷史早期被磁化而一直保留至今的地殼磁場(chǎng)。位于史密斯海的測(cè)繪圖（上圖）及對(duì)應(yīng)之引力圖（下圖），這個(gè)地方有一個(gè)和地形相反的質(zhì)量瘤。登月1.7Jupiter木星木星的彩色卡西尼合成影像。星球上黑點(diǎn)為木衛(wèi)二的陰影。木星木星是一個(gè)巨大的液態(tài)行星，最外層是木星的大氣。木星的大氣組成中，按分子數(shù)量來看，81%是氫氣，18%是氦氣，按質(zhì)量則分別是75%和24%。形狀由于自轉(zhuǎn)快速而呈現(xiàn)扁球體（赤道附近有略微但明顯可見的凸起）。外大氣層明確依緯度分為多個(gè)帶域，各帶域相接的邊際容易出現(xiàn)亂流和風(fēng)暴。最顯著的例子是大紅斑，最晚在17世紀(jì)時(shí)人們便以望遠(yuǎn)鏡首度發(fā)現(xiàn)它的存在。環(huán)繞著行星的是松弱的行星環(huán)系統(tǒng)和強(qiáng)大的磁層。木星具有比地球強(qiáng)大14倍的磁場(chǎng)，從在赤道的4.2高斯到在兩極的10-14高斯，使之成為太陽系（除太陽黑子）中最強(qiáng)的磁場(chǎng)。這個(gè)磁場(chǎng)被認(rèn)為是由液體金屬氫內(nèi)核內(nèi)的導(dǎo)電物質(zhì)渦流運(yùn)動(dòng)渦電流產(chǎn)生的。木星至少有67個(gè)衛(wèi)星，其中有4個(gè)主要衛(wèi)星，1610年由伽利略發(fā)現(xiàn)，合稱伽利略衛(wèi)星。衛(wèi)星中體積最大的木衛(wèi)3直徑甚至大于水星。大紅斑液態(tài)金屬氫液態(tài)分子氫木星環(huán)光環(huán)系統(tǒng)是太陽系巨行星的一個(gè)共同特征，主要由細(xì)小的塵埃和雪團(tuán)等物質(zhì)組成。和冰組成的絢爛多姿的土星光環(huán)相比，木星的光環(huán)則顯得黯淡了很多，但也可以分成四圈。木星起碼有十六顆衛(wèi)星，1979年旅行者拍的主要的四顆衛(wèi)星照片使人們可分辨它們表面600米的特征。木衛(wèi)1-Io木衛(wèi)2-Europa木衛(wèi)3-Ganymede木衛(wèi)4-Callisto木星衛(wèi)星1.8土星Saturn土星環(huán)1.9天王星Uranus1.10海王星Neptune比較行星學(xué)太陽系各星體大體在同一時(shí)刻有共同起源，有特點(diǎn)，又有共同點(diǎn)。組成、內(nèi)部構(gòu)造和外部特征由各自的形成過程和隨后的地質(zhì)過程所形成和改變的。地質(zhì)過程由物質(zhì)和能量?jī)煞矫鏇Q定。對(duì)物質(zhì)的描述包括化學(xué)組成、質(zhì)量和大小，它們影響天體的熔點(diǎn)、強(qiáng)度、產(chǎn)熱、傳熱和冷卻特性?；瘜W(xué)組成、質(zhì)量和大小與它們到太陽的距離有明顯的關(guān)系。推動(dòng)行星內(nèi)部動(dòng)力過程的主要能源是熱能，包括行星凝聚形成時(shí)重力位能轉(zhuǎn)化的原始熱能、放射性元素（包括一些短半衰期放射性元素）產(chǎn)熱、核幔分異放熱、內(nèi)核凝固釋放潛熱等。

隕星撞擊、物質(zhì)分異、火山和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)幾乎在所有行星和衛(wèi)星上發(fā)生。大氣及其它液體的物理和化學(xué)作用在有些行星和衛(wèi)星上也至關(guān)重要。

類地行星大氣層與水體的形成與演化過程的比較大氣層是包裹在行星最外層的氣體物質(zhì)，它提供了關(guān)于行星內(nèi)部的平均組成、形成模式。大氣層與水體的起源和演化是研究行星演化歷史的重要線索。行星質(zhì)量的大小及與太陽的距離對(duì)行星大氣層和水體發(fā)育的制約。地球和金星質(zhì)量最大，逃逸速度最大，可將更多的氣體“束縛”在它們表面，因此它們的大氣有著復(fù)雜的組成和較大的密度。火星質(zhì)量較小，逃逸速度不到地球的一半，在漫長(zhǎng)的演化歷史中，大氣逐漸逸散進(jìn)入太空，大氣密度變得很稀薄。水星質(zhì)量更小，而且最靠近太陽，不僅太陽風(fēng)的驅(qū)趕作用強(qiáng)烈，而且表面溫度高，氣體分子的熱運(yùn)動(dòng)更加劇烈，加劇了大氣的逸散，所以水星的大氣層極為稀薄，并且主要為太陽風(fēng)成分。月球質(zhì)量最小，幾乎沒有大氣層，更沒有水體的發(fā)育。類地行星地形地貌與地質(zhì)構(gòu)造的共性與特性的比較對(duì)類地行星及衛(wèi)星的地貌、表土成分與結(jié)構(gòu)、地層與地質(zhì)構(gòu)造的探測(cè)研究表明，行星表面布滿各種撞擊坑、火山地形與熔巖流、線性與環(huán)形構(gòu)造，構(gòu)成了行星表面的特有景觀與地層-構(gòu)造體系。強(qiáng)烈的火山活動(dòng)和持續(xù)的撞擊作用，是太陽系行星早期歷史的共同特征。行星的質(zhì)量主導(dǎo)著行星內(nèi)營(yíng)力作用，而行星與太陽的距離控制著外營(yíng)力過程，內(nèi)外營(yíng)力的結(jié)合構(gòu)成了各行星的表層特征。（1）質(zhì)量小的行星在表面能保持古老的火山地形和撞擊形成的盆地、環(huán)形撞擊坑等。水星早期發(fā)生了幾乎完全的熔融，產(chǎn)生過劇烈的構(gòu)造巖漿和火山活動(dòng)，并分異成殼、幔和核。在此后的5億年里，核和幔逐漸冷卻，外殼處于擠壓狀態(tài)。由于星體的收縮，水星發(fā)育了全球性的斷裂體系。水星表面很像月球，布滿了大小不等的撞擊坑（環(huán)形山）和盆地。月球在距今31.5億年前，水星可能在距今15~20億年前，基本上終結(jié)了構(gòu)造巖漿和火山活動(dòng)。（2）質(zhì)量大的行星，形成后受到急劇的加熱，早期產(chǎn)生過全球性的強(qiáng)烈的構(gòu)造巖漿活動(dòng)，行星內(nèi)部的物質(zhì)熔融、分異、調(diào)整現(xiàn)今仍在持續(xù)進(jìn)行，核、幔、殼的相互作用，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)至今仍保持明顯的活躍。金星表面沒有水體的發(fā)育，廣泛的火山活動(dòng)產(chǎn)生了大量火山熔巖，最古老的地質(zhì)單元的形成年齡大約為8億年。金星現(xiàn)在還有火山活動(dòng)，但熱點(diǎn)不多。（3）火星介于兩者之間，具有過渡型的性質(zhì)，早期構(gòu)造巖漿活動(dòng)劇烈，內(nèi)部物質(zhì)分異調(diào)整尚不充分。內(nèi)部熱能的積累與失散也介于水星和地球之間?；鹦呛偷厍騼蓚€(gè)行星之間主要的差別是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的差異，火星的殼是固定的，缺乏板塊運(yùn)動(dòng)的特征?；鹦堑貧さ膭?dòng)力學(xué)與地球完全不同，盡管火星歷史的大部分時(shí)期都有火山活動(dòng)和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，但巖石圈并不與下伏的軟流圈發(fā)生物質(zhì)循環(huán)。類地行星的熱歷史與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的比較根據(jù)類地行星熱歷史的研究，行星的質(zhì)量大小與行星內(nèi)部活動(dòng)的“壽命”正相關(guān)，與行星冷卻固化的時(shí)間反相關(guān)。太陽系探測(cè)的成果表明，地球具有典型的偶極子磁場(chǎng)，表明內(nèi)部具有帶電流體的運(yùn)動(dòng)；火星則是多極子磁場(chǎng)，表明內(nèi)部具有多區(qū)域性的帶電流體的運(yùn)動(dòng)；而月球已經(jīng)基本上喪失了原有的全球性偶極子磁場(chǎng)，是一個(gè)內(nèi)部固化的、僵死的天體?？磥?，類地行星磁場(chǎng)的演化必然遵循由偶極子磁場(chǎng)向多極子磁場(chǎng)進(jìn)一步向消失磁場(chǎng)的過程演化。小結(jié)行星的質(zhì)量大小決定了行星內(nèi)部能量的產(chǎn)生、積累與傳導(dǎo)，制約了行星內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的構(gòu)成，主導(dǎo)了行星的巖漿活動(dòng)與演化能力，影響了行星大氣層和水體的發(fā)育。行星與太陽的距離，決定了行星整體的初始成分，制約了行星的空間環(huán)境、表面大氣層和水體的發(fā)育、表生地質(zhì)作用過程與表面環(huán)境。質(zhì)量小的類地行星（水星、月球），形成后受到急劇加熱，早期構(gòu)造火山活動(dòng)劇烈，并分異成殼、幔和核，但內(nèi)部物質(zhì)分異調(diào)整不充分。質(zhì)量大的類地行星（地球、金星）形成后受到急劇加熱，產(chǎn)生強(qiáng)烈的構(gòu)造巖漿作用與火山活動(dòng)。行星內(nèi)部物質(zhì)持續(xù)分異，殼、幔和核仍在形成演化中。行星仍保持明顯的構(gòu)造巖漿與火山活動(dòng)。目前除地球外沒有發(fā)現(xiàn)其他行星與衛(wèi)星具有板塊構(gòu)造，也許海底擴(kuò)張、大陸漂移與板塊運(yùn)動(dòng)是地球特有的地質(zhì)演化特征。第二節(jié)地球空間電磁環(huán)境Wherearewe?

我們所在的太陽系離銀河中心大約28000光年，太陽是銀河系中一個(gè)普通的恒星。太陽是離人類最近的恒星，是地球上除了原子能以外的其它能源的直接和間接創(chuàng)造者。日地空間環(huán)境在很大程度上由太陽電磁波輻射和粒子輻射性質(zhì)決定。太陽爆發(fā)現(xiàn)象在地球磁層附近會(huì)引起一系列的地球物理現(xiàn)象。SunHeliosphere

（日球?qū)?磁層電離層高層大氣Planets日地系統(tǒng)Solar-Terrestrialsystem太陽電磁輻射太陽風(fēng)等離子體行星際磁場(chǎng)太陽高能粒子銀河宇宙線日冕物質(zhì)拋射電磁輻射粒子輻射Solar-Terrestrialsystem太陽風(fēng)(Solarwind)由于日冕的超聲速膨脹,太陽把高度導(dǎo)電的等離子體以約500km/s的超聲速度發(fā)射到行星際空間.這種等離子體太陽風(fēng)(Solarwind),主要由電子和質(zhì)子組成,也混合了約5%的氦離子.由于它的高導(dǎo)電性能,太陽磁場(chǎng)被凍結(jié)在太陽風(fēng)里且被膨脹的太陽風(fēng)拖著向外運(yùn)動(dòng).2.1日地空間的基本結(jié)構(gòu)舷激波和磁鞘當(dāng)太陽風(fēng)遇到地球偶極磁場(chǎng)時(shí)不可能簡(jiǎn)單地穿透進(jìn)來,而是被減速下來,并在相當(dāng)大的空間范圍內(nèi)繞流過地磁場(chǎng).由于太陽風(fēng)以超聲速?zèng)_擊障礙物,就產(chǎn)生了所謂舷激波(bowshock),這里等離子體被減速,粒子動(dòng)能的一部分轉(zhuǎn)換為熱能.在舷激波后面被加熱過的亞聲速等離子體區(qū)稱為磁鞘(magnetosheath)日地空間的基本結(jié)構(gòu)磁層(magnetosphere)在磁鞘里激波下游的太陽風(fēng)等離子體不容易穿透進(jìn)入地球磁場(chǎng),而多數(shù)是繞流過它,這是由于行星際磁場(chǎng)不能穿透進(jìn)入地球磁場(chǎng),且由于太陽風(fēng)高導(dǎo)電等離子體的凍結(jié)特征使它的粒子也不能離開行星際磁場(chǎng).把太陽風(fēng)和地球磁場(chǎng)分離開的邊界稱為磁層頂(magnetopause),而由地球磁場(chǎng)所產(chǎn)生的空穴(cavity)被稱為磁層(magnetosphere)太陽風(fēng)的動(dòng)壓使地球磁場(chǎng)的靠外部分發(fā)生了崎變,在其前邊磁場(chǎng)被壓縮,而夜側(cè)磁場(chǎng)則被拉長(zhǎng)成一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的到達(dá)月球軌道以遠(yuǎn)的磁尾(magnetotail).日地空間的基本結(jié)構(gòu)PlanetMagnetosphere磁層ElectricCurrentsinMagnetosphere輻射帶(radiationbelt)，在地球周圍一定的空間范圍內(nèi)存在大量的被地磁場(chǎng)捕獲的高能（200keV－幾十MeV）帶電粒子，此捕獲區(qū)被稱為輻射帶。地球輻射帶由內(nèi)輻射帶和外輻射帶組成。內(nèi)輻射帶主要由高能質(zhì)子構(gòu)成，距地面較近，在赤道面上分布在地心距離1.1-3.3地球半徑的范圍內(nèi)。外輻射帶主要由高能電子構(gòu)成，距地面較遠(yuǎn)，在赤道面上分布在地心距離3-9個(gè)地球半徑范圍內(nèi)，中心區(qū)高度約為4個(gè)地球半徑。日地空間的基本結(jié)構(gòu)但在南大西洋巴西海岸附近，內(nèi)輻射帶可以降到250公里左右。這稱之為南大西洋異常區(qū)（SouthAtlanticAnomaly）。等離子體層是一個(gè)在輻射帶內(nèi)部的環(huán)形球狀體,它包含較冷而稠密的電離層來源的等離子體，它與地球共轉(zhuǎn).在赤道面上,等離子體層延伸到約4Re左右的邊界,這里電子密度急劇下降到1cm－3

左右,該邊界稱為等離子體層頂(plasmapause).日地空間的基本結(jié)構(gòu)lobe電離層(ionosphere)照射到地球大氣層的太陽紫外線使部分中性大氣層電離.在約80km以上高度,迅速產(chǎn)生復(fù)合的碰撞很不頻繁,形成永久電離的粒子群,稱為電離層.電離層延伸到相當(dāng)高的高度上,在低緯和中緯逐漸合并為等離子體層。日地空間的基本結(jié)構(gòu)lobe根據(jù)無線電工程師學(xué)會(huì)(IRE)定義，電離層是指距地球地面約60km到1000km左右高度之間的區(qū)域，在該區(qū)域存在大量的離化粒子(電子和離子)，足以影響無線電波的傳播。換言之，電離層是離化的大氣層。電離層(Ionosphere)來自太陽的電磁輻射太陽風(fēng)與磁層帶電粒子地面和大氣層擾動(dòng)電離層的外部作用因素來自太陽的電磁輻射太陽風(fēng)與磁層帶電粒子地面和大氣層擾動(dòng)電離層的外部作用因素Equatorialandlow-latitudesystemPolarandhigh-latitudesystemCouplingsystembetweenhigh&lowlatitudes電離層耦合系統(tǒng)空間天氣研究系統(tǒng)中的電離層表.一些地球物理等離子體區(qū)的典型參數(shù)

磁層空間暴包括磁層亞暴、磁暴和磁層粒子暴。磁層亞暴是磁層中巨大能量的釋放過程，包括電離層亞暴、極光亞暴、磁亞暴和熱層亞暴，可引起整個(gè)磁層和電離層的劇烈擾動(dòng)。磁層亞暴約每天發(fā)生3－4次，每個(gè)磁層亞暴釋放的能量相當(dāng)于一個(gè)中等地震的能量。磁暴是強(qiáng)環(huán)電流引起的全球性的磁場(chǎng)活動(dòng)，可引起全球性的電離層和高層大氣擾動(dòng)，每次磁暴可持續(xù)十幾小時(shí)到兩天。磁層粒子暴是近地磁層各類粒子爆發(fā)性增強(qiáng)事件，對(duì)航天活動(dòng)有重要影響。

激發(fā)磁層空間暴的最終來源是太陽。2.2磁層空間暴

當(dāng)太陽風(fēng)與磁層的相互耦合增強(qiáng)、時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，地磁活動(dòng)增強(qiáng)并將發(fā)展成磁暴。磁暴過程可以分為初相，主相和恢復(fù)相。典型的磁暴將持續(xù)1－5天。初相的長(zhǎng)度不確定，可以從0到25小時(shí)以上。主相持續(xù)大約一天，恢復(fù)相可能會(huì)持續(xù)許多天。Dst在50－150nT量級(jí)的磁暴幾乎每個(gè)月都發(fā)生，擾動(dòng)在150－300nT的情況每年能發(fā)生幾次，而超過500nT的情況每個(gè)太陽周內(nèi)只有幾次。1.磁暴磁暴通過研究磁暴主相期間擾動(dòng)場(chǎng)的空間分布發(fā)現(xiàn)，擾動(dòng)場(chǎng)在全球幾乎是均布的，其方向平行于地球的偶極軸（即向南）。這樣的擾動(dòng)是由環(huán)繞地球的電流產(chǎn)生的，這種電流稱為環(huán)電流。環(huán)電流是由位于3－5RE范圍內(nèi)，沿VanAllen輻射帶漂移的帶電粒子形成的。初相是由磁層頂電流造成的，太陽風(fēng)動(dòng)壓的增加使磁層頂電流加大并靠近地球，其產(chǎn)生的擾動(dòng)場(chǎng)在地面上指向北?；謴?fù)相是由于輻射帶中的粒子損失，環(huán)電流的強(qiáng)度下降所形成的。

當(dāng)IMF出現(xiàn)南向分量，由太陽風(fēng)流入磁層的能量增加時(shí)，這些能量?jī)?chǔ)存在地球磁尾，一旦有大的擾動(dòng)，會(huì)以劇烈的形式釋放出來，引起磁層、電離層內(nèi)發(fā)生劇烈的有序變化，這稱為亞暴。亞暴最為顯著的表現(xiàn)是極光。亞暴期間，平靜的極光弧突然發(fā)出耀眼的光彩。在大約一小時(shí)的時(shí)間內(nèi)，極光經(jīng)歷一系列與時(shí)間和地點(diǎn)相關(guān)的有序演變。伴隨著極光，也產(chǎn)生了磁擾。典型的擾動(dòng)幅度為200－2,000nT，持續(xù)時(shí)間為1－3小時(shí)。

2.亞暴

極光就象一面鏡子或電視機(jī)的熒光屏，反映出磁層的活動(dòng)情況。

在一個(gè)典型的孤立亞暴期間，相應(yīng)于極光電流系統(tǒng)，磁層的磁場(chǎng)、等離子體經(jīng)歷了一系列明顯的變化。在磁層中亞暴有三個(gè)相，增長(zhǎng)相，膨脹相和恢復(fù)相。目前關(guān)于亞暴模型有很多，但其中最重要的兩個(gè)模式是近地中性線(NENL)模式和電流片中斷模式。EnergydissipationMagnetosphereIonosphereEnergeticparticleacceleration

Plasmasheetheating

Ringcurrentinjections

PlasmoidformationJouleheating

Particleprecipitation

[Auroralluminosity]

[Kilometricradiation亞暴磁層粒子暴是指磁層空間伴隨磁暴和亞暴而產(chǎn)生的各種突發(fā)性粒子事件。其中最重要的對(duì)航天活動(dòng)有重要影響的有磁層相對(duì)論電子事件，極光亞暴粒子事件和同步軌道粒子注入事件等。3.磁層粒子暴：粒子事件2.3太陽風(fēng)暴來自于太陽的日冕物質(zhì)拋射（太陽風(fēng)暴）對(duì)地球空間有巨大的影響。太陽風(fēng)暴會(huì)在地球空間激發(fā)大磁暴。從而使地球磁層，電離層和中高層大氣發(fā)生劇烈變化。在太陽風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)磁暴過程中產(chǎn)生的輻射帶高能粒子和太陽風(fēng)暴直接加速產(chǎn)生高能粒子充滿著地球輻射帶，不僅會(huì)使高能粒子通量顯著增長(zhǎng)（10－100倍），而且還會(huì)改變整個(gè)輻射帶的結(jié)構(gòu)和位置，從而對(duì)在軌航天器產(chǎn)生巨大危害。2.4空間等離子體基本理論什么是空間等離子體？自然界由物質(zhì)組成，一切物質(zhì)都處于永不停息的運(yùn)動(dòng)中。物質(zhì)存在的形態(tài)等離子體是由大量正、負(fù)電荷數(shù)相等的帶電粒子組成的非凝聚系統(tǒng)。等離子體狀態(tài)是物質(zhì)存在的基本形態(tài)之一，與固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)并列，稱為物質(zhì)的第四態(tài)。宇宙中大部分物質(zhì)處于等離子體狀態(tài)，人造等離子體在科學(xué)技術(shù)中的重要性正在迅速提高。等離子體物理學(xué)研究等離子體的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律。等離子體的主要特征是：粒子間存在長(zhǎng)程庫(kù)侖（Coulomb）相互作用。等離子體的運(yùn)動(dòng)與電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)緊密耦合，存在極其豐富的集體效應(yīng)（collectiveeffect）和集體運(yùn)動(dòng)模式。等離子體物理學(xué)以等離子體的整體形態(tài)和集體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、等離子體與電磁場(chǎng)及