空間環(huán)境科學(6)省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎?wù)n件市賽課百校聯(lián)賽優(yōu)質(zhì)課一等獎?wù)n件

近代物理概論山東輕工業(yè)學院主講:劉玉波1/271空間環(huán)境科學一、空間環(huán)境科學概述

環(huán)境是指圍繞著人類外部世界。是人類賴以生存和發(fā)展社會和物質(zhì)條件綜合體?？煞譃樽匀画h(huán)境和社會環(huán)境。

研究環(huán)境目標是利用環(huán)境，空間環(huán)境也不例外，利用空間環(huán)境為人類造福也是研究主要目標。2/272

中性大氣對航天活動影響：一是對航天器飛行軌道影響。二是中性大氣中原子氧成份對航天器表面腐蝕作用。1.中性大氣環(huán)境

二、空間環(huán)境要素

2.電離氣體——等離子體環(huán)境

等離子體是由等量電子和正離子組成氣體，它和固體、液體、中性氣體并稱為物質(zhì)四態(tài)。等離子體是宇宙主要成份，占宇宙物質(zhì)99%以上。3/273

高能帶電粒子是指能量極高電子、質(zhì)子、離子和原子核。3.高能帶電粒子環(huán)境

起源于太陽高能帶電粒子又稱太陽宇宙線。

磁場能控制帶電粒子運動，在空間環(huán)境過程中磁場起很主要作用。4.磁場環(huán)境

空間電磁輻射主要來自太陽，它有很寬能譜,從波長很長無線電波到能量很高γ輻射。5.電磁輻射環(huán)境4/274

空間天然固體微粒是流星體，空間碎片是人為遺棄在空間物體。6.固體微粒環(huán)境

三、空間環(huán)境分區(qū)

空太陽表面連續(xù)噴發(fā)出等離子體以每秒數(shù)百公里到一千多公里速度吹向地球，充滿整個日地空間，被稱為“太陽風”，它所攜帶太陽表面磁場形成了行星際磁場。1.太陽風和行星際磁場

當前空間環(huán)境科學研究空間范圍主要是太陽和地球之間空間，普通稱為日地空間。5/2756/276

地磁場分布近似為偶極子磁場，地球磁場不是平面磁場，它邊界不是平面，而是形成一個被太陽風包圍區(qū)域，稱為“磁層”。在磁層內(nèi)磁場被壓縮，太陽風不能進入，在磁層外是太陽風，地磁場被屏蔽,它們之間界面為“磁層頂”。磁層形狀大致如圖6-3。2.地球磁場和磁層7/277整個大氣層按照它物理性質(zhì)可分為對流層、平流層、中間層、熱層和外逸層；按大氣成份可分為均質(zhì)層、非均質(zhì)層和外逸層。

對流層最靠近地面，它主要特征是大氣對流強烈，在對流層內(nèi)，高度越高，溫度越低。3.地球大氣8/278

平流層內(nèi)大氣比較平穩(wěn)，溫度隨高度增加而增加，臭氧層是平流層內(nèi)一個層次。

中間層里大氣溫度再次隨高度增加而降低，它特點是光化反應(yīng)十分強烈，發(fā)生各種發(fā)光現(xiàn)象。平流層和中間層以合稱中層。

熱層其溫度又一次隨高度快速增加，熱層改變十分復(fù)雜，因為影響熱層原因非常多；另外在熱層頂溫度又趨于穩(wěn)定，不再隨高度改變。

均質(zhì)層是指從地面到大約80km高度范圍內(nèi)大氣,大氣成份基本相同，平均分子量不隨高度改變。9/279非均質(zhì)層成份隨高度有顯著改變，主要成份為氮分子、氧原子、氦、氫等，平均分子量隨高度逐步降低。

外逸層大氣最外層，這里大氣已經(jīng)十分稀薄,分子之間碰撞能夠忽略，假如分子熱運動速度足夠大，它就有可能擺脫地球引力而飛向宇宙空間。另外，高層大氣中一部分氣體分子被電離，由這部分離子和電子組成了電離層?？臻g物理學研究另一部分是地外空間，包含地球磁場、太陽粒子輻射和太陽風和地磁場相互作用(磁層)。10/2710四、空間環(huán)境探測

1.空間環(huán)境探測伎倆

地基探測是將探測設(shè)備安放在地球表面對空間環(huán)境進行探測。(1)地基探測

特點：長久定點連續(xù)探測；隨地球運動過程可對一定時間和空間范圍進行探測；能夠按需要組網(wǎng)；易維護、成本低；遙感方式受大氣影響。

火箭探測是近地空間探測主要伎倆之一，它能把探測儀器帶到一百至幾千公里高空進行測量。(2)火箭探測11/2711

天基探測是指以衛(wèi)星和其它軌道上航天器為載體，在空間進行現(xiàn)場測量，或者用遙感方法進行成像觀察。(3)天基探測

特點：直接探測；受航天技術(shù)制約，費用昂貴，研制周期長；高空間分辨率；對太陽遙感成像不受大氣干擾；大視野成像觀察。2.中性大氣探測

在數(shù)百公里高度處高層大氣即使已經(jīng)十分稀薄,不過對航天器軌道依然有阻尼作用，是航天器最終隕落主要原因。12/2712中性大氣直接探測多采取電離真空規(guī)。它是一個經(jīng)過對環(huán)境大氣搜集取樣并用電離真空規(guī)測量大氣壓力換算大氣密度方法。高層中性大氣成份探測主要采取質(zhì)譜計方法。質(zhì)譜計通慣用電子束離化大氣中氣體樣品，再分析所產(chǎn)生離子并測定樣品中包含各種成份濃度。3.中性大氣探測

一個是電波法，即利用空間等離子體對經(jīng)過它傳輸電波效應(yīng)進行相關(guān)測量，給出空間等離子體相關(guān)參量探測空間等離子體方法。兩種測量方法：13/2713

當前帶電粒子探測主要是利用它和物質(zhì)相互作用時發(fā)生電離、激發(fā)效應(yīng)和切倫柯夫輻射。

依據(jù)所應(yīng)用原理，電波法又能夠劃分為短波雷達類、信標類、散射雷達類等。

另一個是探針法，它從環(huán)境中得到電子或離子，因為電子質(zhì)量遠小于離子，且粒子能量相當?shù)停十a(chǎn)生電流取決于探針所處環(huán)境及所加電位。它可用來測量等離子體電子密度、電子溫度及離子參量。4.高能帶電粒子探測14/2714

慣用磁場探測儀器有磁通門磁強計、探測線圈、質(zhì)子旋進磁強計、光泵磁強計。5.空間磁場探測

它們基本上可由地面光學望遠鏡和雷達等常規(guī)性儀器探測、追蹤并給予編目。6.空間碎片和微流星體探測五、空間環(huán)境模式研究

1.目標和意義

編制空間環(huán)境分布模式目標是用簡單實用數(shù)學表示式描述空間環(huán)境平均分布狀態(tài)。15/2715

空間環(huán)境分布模式是以實際探測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)編制。2.方法

早期高層大氣數(shù)據(jù)主要靠衛(wèi)星軌道反演方法得到。3.高層大氣模式

另一個模式是依據(jù)衛(wèi)星和火箭攜帶質(zhì)譜計進行直接測量和地面非相干散射雷達測量結(jié)果建立，稱為MSIS模式。

MET模式是NASA馬歇爾飛行中心工程用熱層模式。16/2716

空國際參考電離層(IRI)是一個全球電離層經(jīng)驗?zāi)Ｊ健Ｋ抢萌虻孛娣植贾鴰装賯€電離層觀察站長久觀察資料及衛(wèi)星觀察資料，由國際無線電科聯(lián)和空間研究委員會(URSI/COSPAR)聯(lián)合從20世紀60年代后期開始發(fā)展建立。4.電離層模式5.高能帶電粒子模式單向積分通量定義為空間單位面積上、在單位時間內(nèi)、來自某一方向單位立體角內(nèi)、能量大于給定值粒子數(shù)目：粒子/厘米2·秒·單位立體角。(1)單位

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全向積分通量定義為空間單位面積上、在單位時間內(nèi)、來自全部方向、能量大于給定值粒子數(shù)目：粒子/厘米2·秒。

單向微分通量與單向積分通量相仿，指在單位能量間隔內(nèi)粒子數(shù)：粒子/厘米2·秒·單位立體角·單位能量(如keV)。

全向微分通量與全向積分通量相仿，指在單位能量間隔內(nèi)粒子數(shù)：粒子/厘米2·秒·單位能量(如keV)。(2)銀河宇宙線模式

(3)太陽宇宙線模式18/2718

地球輻射帶主要成份是電子和質(zhì)子，有少許氦核和更少許重元素離子。分為輻射帶電子模型AE和輻射帶質(zhì)子模型AP，最新是質(zhì)子模型AP8和電子模型AE8。6.地球輻射帶模式19/2719

地球磁場按其起源可分為內(nèi)源場和外源場。內(nèi)源場是地磁場中起源于地球內(nèi)部部分，它包含基本磁場和外源場改變時在地殼內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生磁場?；敬艌鍪堑厍蚬逃写艌觯鹪从诘睾酥须娏黧w系，是地磁場主要部分，約占99%?；敬艌鍪址€(wěn)定。外源場起源于地球附近電流體系，包含電離層電流、環(huán)電流、場向電流、磁層頂電流及磁層內(nèi)其它電流磁場。外源場因為各種原因而不停改變，主要有磁靜日太陽日改變、太陰日改變，以及磁暴、亞暴、鉤擾等地磁擾動。7.空間磁場模式

20/272021/2721

流星體在空間分布并不是均勻。一些流星體是獨自運動，其軌道也是隨機，稱為偶現(xiàn)流星體。另有許多流星體密集在產(chǎn)生它們母體軌道附近，當?shù)厍虼┻^這些區(qū)域時，地球及圍繞地球運行空間站和其它航天器就會碰到更多流星撞擊，它們進入大氣層后燃燒發(fā)光成為人們可看到“流星群”(流星雨)。流星群不規(guī)則空間分布，造成在地球附近流星通量隨時間改變。8.流星體模式

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空間碎片模式包含空間碎片分布模式和空間碎片演化模式，分布模式將空間物體軌道根數(shù)和其它特征信息轉(zhuǎn)換為空間分布，由此能夠?qū)С隹臻g碎片通量、儀器探測率、碰撞概率等，幫助研究人員解釋測量軌道碎片試驗得到數(shù)據(jù)，以及幫助設(shè)計者確定碎片對航天器威脅，在航天工程上應(yīng)用廣泛，所以也叫做工程模式。空間碎片演化模式也稱為未來分布模式，用于了解觀察碎片數(shù)量未來增加。9.空間碎片模式23/2723

(1)單一空間環(huán)境參量及相關(guān)模式集成10.模式集成

(2)多空間環(huán)境參數(shù)綜合模式集成六、空間環(huán)境預(yù)報

1.空間環(huán)境預(yù)報必要性

空間環(huán)境受太陽活動影響，其狀態(tài)不停發(fā)生改變，有時甚至是非常猛烈改變。太陽活動現(xiàn)有長達以11年為周期改變，也有短至十幾分鐘暴發(fā)過程。這些改變造成航天器運行軌道、姿態(tài)和壽命受到嚴重影響。所以，提前預(yù)報空間環(huán)境擾動，尤其是預(yù)報災(zāi)害性空間環(huán)境擾動，方便采取對應(yīng)防護辦法和對策是非常主要和必要。24/27242.空間環(huán)境預(yù)報工作主要內(nèi)容

空間環(huán)境預(yù)報工作包括面很寬，主要工作能夠歸納為以下幾個方面：(1)數(shù)據(jù)獲??；(2)物理過程研究；(3)基本規(guī)律和相關(guān)關(guān)系研究；(4)預(yù)報模式研究；(5)預(yù)報實施。3.空間環(huán)境預(yù)報分類

空間環(huán)境預(yù)報通常可分為長久預(yù)報(以年為單位)、中期預(yù)報(以太陽自轉(zhuǎn)周期[27天]為單位)、短期預(yù)報(1~3天)和警報(幾十分鐘到24小時內(nèi))等。25/2725七、空間環(huán)境效應(yīng)1.空間環(huán)境效應(yīng)研究方法

空間環(huán)境效應(yīng)十分廣泛，是空間環(huán)境科學中和用戶關(guān)系最為親密部分，比較主要有空間環(huán)境對航天器影響、