空間物理學(xué)介紹

空間物理學(xué)介紹第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月2什么是空間物理所謂空間，是指從太陽到地球、直至整個(gè)太陽系的廣闊范圍；廣義上來講，也就是人類生存的環(huán)境?？臻g物理學(xué)是伴隨人造衛(wèi)星成功發(fā)射而形成并迅速發(fā)展的新興交叉學(xué)科，主要研究廣闊的太陽大氣和行星際空間、地球和行星的磁層、電離層和中高層大氣中的基本物理過程及其演化規(guī)律，探討空間環(huán)境的監(jiān)測、診斷、預(yù)報(bào)及其在航天、國防、通訊、導(dǎo)航等方面的應(yīng)用。第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月3空間物理學(xué)及其研究領(lǐng)域日地空間太陽和太陽大氣太陽風(fēng)和行星際空間地球空間日球空間空間等離子體空間天氣空間探測第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月4太陽和太陽系太陽及其行星第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月5太陽大氣和行星際空間第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月6地球磁層第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月7電離層和中高層大氣第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月8日地系統(tǒng)太陽主要能源和擾動(dòng)源，其活動(dòng)和爆發(fā)影響到整個(gè)日地系統(tǒng)太陽大氣和行星際空間充滿著稀薄等離子體，是太陽活動(dòng)影響地球空間的中間地帶，各種等離子體物理過程起重要作用，且主要受太陽控制磁層由完全電離的等離子體組成，形態(tài)主要由地球和行星的磁場決定，同時(shí)受太陽活動(dòng)影響電離層由部分電離的等離子體組成，太陽輻射、地球磁場和引力場共同起主導(dǎo)作用，對(duì)人類活動(dòng)有著直接的影響中高層大氣和低層大氣以中性成分為主，也有許多電磁過程和化學(xué)過程，同時(shí)涉及與低層大氣的耦合以及固、液、氣和等離子體四態(tài)的相互作用地球地球磁場和地球內(nèi)部活動(dòng)影響著空間環(huán)境的變化第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月9空間物理學(xué)的迅速發(fā)展20世紀(jì)50年代，形成和探索階段，發(fā)展成一門獨(dú)立的學(xué)科。20世紀(jì)60年代，以載人飛船和首次登月為代表，對(duì)地球空間環(huán)境初步了解。20世紀(jì)70年代，探測深空，對(duì)整個(gè)日球?qū)迎h(huán)境的了解。20世紀(jì)80～90年代，開展全球合作，從整個(gè)日地系統(tǒng)的角度來研究空間物理現(xiàn)象。20世紀(jì)90年代末至今，開展空間天氣研究，加強(qiáng)探測、研究、預(yù)報(bào)、應(yīng)用之間的結(jié)合。第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月10空間物理學(xué)是迅速發(fā)展的交叉學(xué)科空間物理學(xué)是伴隨人造衛(wèi)星成功發(fā)射而形成并迅速發(fā)展的交叉學(xué)科，主要研究廣闊的太陽大氣和行星際空間、地球和行星的磁層、電離層和中高層大氣中的基本物理過程及其演化規(guī)律，探討空間環(huán)境的監(jiān)測、診斷、預(yù)報(bào)及其在航天、國防、通訊、導(dǎo)航等方面的應(yīng)用。第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月11空間物理學(xué)是基礎(chǔ)學(xué)科空間物理學(xué)是人類認(rèn)識(shí)自然的一門前沿性基礎(chǔ)學(xué)科，廣闊的空間環(huán)境是難得的天然實(shí)驗(yàn)室。有5位科學(xué)家，由于對(duì)空間物理學(xué)發(fā)展做出貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾獎(jiǎng)（Appleton獲1947年物理獎(jiǎng)，Alfven獲1970年物理獎(jiǎng)，Crutzen、Molina和Rowland獲1995年化學(xué)獎(jiǎng)）。第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月12空間物理學(xué)又是應(yīng)用學(xué)科空間物理學(xué)又是應(yīng)用性極強(qiáng)的學(xué)科，與航天、通訊、導(dǎo)航、電力以及人類生存環(huán)境和社會(huì)發(fā)展有著密切的關(guān)系。20世紀(jì)90年代興起的空間天氣(SpaceWeather)，指的是太陽、太陽風(fēng)、磁層、電離層和熱層的狀況可以影響天基和地基技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)行和可靠性，危及人類的健康和生命；惡劣的空間環(huán)境會(huì)引起衛(wèi)星運(yùn)行、通訊、導(dǎo)航和輸電網(wǎng)的事故，造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月13太陽內(nèi)部和太陽大氣太陽內(nèi)部內(nèi)核輻射區(qū)對(duì)流區(qū)太陽大氣光球?qū)由驅(qū)?過渡區(qū))日冕第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月14太陽的溫度Core-Photosphere–Chromosphere–Transitionregion–Corona4,500oC1,000,000oC

15,000,000oC20,000oC第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月15太陽大氣日冕corona光球?qū)觩hotosphere色球?qū)觕hromosphere過渡區(qū)transitionregion第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月16什么是太陽日冕？日冕是太陽的最外層大氣，在日食期間或用日冕儀可以看到。從日面附近延伸到幾個(gè)太陽半徑或更遠(yuǎn)。19911999第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月17太陽活動(dòng)周…Thecurrentsolarcycle(no.23)29.5.199628.3.2001第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月18極紫外日面積分通量SEM(CELIAS)onSOHOVIRGOonSOHO:太陽總輻照度地球上總的輻照度變化不超過0.1%!但是，紫外通量的變化是呈倍數(shù)的！

太陽輻照度隨活動(dòng)周的變化第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月19低日冕磁場約束等離子體形成可見磁環(huán)emissionlinesofFe

IX

/

X

(17.1nm)106K9.November2000becareful:lightmagneticfieldTransitionRegionAndCoronalExplorer(TRACE),NASA~70000km~0.1R¤第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月20太陽風(fēng)和行星際空間高速太陽風(fēng)低速太陽風(fēng)冕洞第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月21行星際空間第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月22地球空間（Geospace）太陽風(fēng)弓激波第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月23ThemostfamousandmostlyresearchedshockisthebowshockstandinginfrontoftheEarthasresultoftheinteractionofthemagnetospherewiththesupersonicsolarwind,withahighMachnumber,MF

8.Solarwinddensityandfieldjumpbyaboutafactorof4intothemagnetosheath.弓激波第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月24地球磁層的三維結(jié)構(gòu)極尖區(qū)太陽風(fēng)行星際磁場磁層頂?shù)?4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月25極光（Aurora)第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月26地球大氣分層對(duì)流層平流層中間層熱層中性層電離層磁層第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月27無線電波在電離層中的反射第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月28地球輻射帶第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月29空間等離子體物理等離子體物理微觀理論動(dòng)力學(xué)理論分布函數(shù)宏觀理論，磁流體力學(xué)流體力學(xué)磁場粒子，波，波-粒子相互作用，不穩(wěn)定性第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月30Schematictopographyofsolar-terrestrialenvironment第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月31空間天氣學(xué)Xiong,M.,H.Zheng,Y.Wang,andS.Wang(2006),J.Geophys.Res.,111,A08105,doi:10.1029/2006JA011593.Xiong,M.,H.Zheng,Y.Wang,andS.Wang(2006),J.Geophys.Res.,111,A11102,doi:10.1029/2006JA011901.第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月32對(duì)空間天氣的認(rèn)識(shí)隨著高新科技迅速發(fā)展和保障人類生存環(huán)境的迫切需求，20世紀(jì)90年代以來，空間天氣研究日益受到人們重視。美國和我國的衛(wèi)星故障中有40%與空間災(zāi)害性天氣有關(guān)。電離層狀態(tài)的快速變化，可引起通信質(zhì)量下降甚至中斷。1989年3月13日凌晨，強(qiáng)磁暴產(chǎn)生的強(qiáng)感應(yīng)電流使得加拿大魁北克水電站變壓器損壞，電網(wǎng)癱瘓，600萬居民停電9小時(shí)，直接經(jīng)濟(jì)損失5億美元。1995年美國發(fā)表“美國國家空間天氣戰(zhàn)略計(jì)劃”，隨后10多個(gè)國家紛紛制定了相應(yīng)計(jì)劃，成立了相關(guān)的管理機(jī)構(gòu)。第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月33美國國家空間天氣計(jì)劃第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月34什么是空間天氣“空間天氣”是指太陽、太陽風(fēng)、磁層、電離層和熱層的狀況。它可影響天基和地基技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)行和可靠性，危及人類的健康和生命。惡劣的空間環(huán)境會(huì)引起衛(wèi)星運(yùn)行、通訊、導(dǎo)航和輸電網(wǎng)的事故，造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。（摘自“美國國家空間天氣計(jì)劃”）空間天氣是一門正迅速發(fā)展的將日地物理科學(xué)與地面和空間技術(shù)應(yīng)用緊密相結(jié)合的學(xué)科。（美國空間天氣工作組主席H.Koskinen)空間天氣計(jì)劃集探測、研究、預(yù)報(bào)和應(yīng)用之大成，將空間各層次視為一個(gè)整體系統(tǒng)，分析和預(yù)報(bào)太陽爆發(fā)現(xiàn)象引起行星際空間和地球空間環(huán)境災(zāi)害性事件的演化規(guī)律，盡量減少其對(duì)空間和地面技術(shù)系統(tǒng)的影響，保障人類生存的安全。第34頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月35從太陽大氣到近地空間擾動(dòng)的因果鏈的變化（藝術(shù)構(gòu)想）在統(tǒng)計(jì)觀測的基礎(chǔ)上，構(gòu)想出的一次完整的空間天氣活動(dòng)第35頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一空間探測天基(衛(wèi)星平臺(tái))+地基（觀測臺(tái)站）空間探測的內(nèi)容：地球空間探測太陽及日地行星際空間探測行星（包括其衛(wèi)星）及日球?qū)犹綔y第36頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2007年4月37人造衛(wèi)星上天標(biāo)志著空間時(shí)代的到來前蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星Sputnik119