地球物理概论–空间物理

地球科学概论空间物理部分提纲

关键词：

地球空间–高层大气、电离层、等离子体层、磁层

空间天气

太阳与太阳系

太阳系探索

☆地球空间

一、地球空间概述

1、地球空间的定义：靠近行星地球的、受太阳辐射变化直接影响的空间区域。内边界大约距离地球表面60公里，外边界是太阳风与地磁场相互作用形成的。

2、地球空间内的物质：地球大气的一部分，从距离地面约60公里，扩展到几十个地球半径。地磁场（磁流体发电机△）。

二、地球大气层（只有平流层以上且不包括平流层的中高层大气才划入地球空间）

1、地球大气层次划分：

a.对流层–平流层–中间层–热层【加热：太阳紫外线辐射和X射线（最重要）、带电粒子加热（高纬地区）、电离层电流加热（高纬地区）】–磁层（完全电离的大气）（大气层层次划分依据：温度的垂直变化）

b.此外还有两个特殊的层，臭氧层、电离层

2、地球的大气层的大气密度日变率：40km-变化小50km~100km变化中等100+km随太阳活动和地磁活动剧烈变化

3、中高层大气（大气层中属于地球空间的） a.高层大气密度随太阳活动变化，原因：太阳紫外辐射增强，且被高层大气吸收b.研究20～100公里的大气的重要性：亚轨道飞行器的飞行范围、载人航天器气动加热严重的区域、中程导弹飞行空间、亚轨道旅游、对地观测、军事侦察

三、电离层

1、什么是电离层：电离层是地球高层大气的一部分，因受太阳的紫外线、X射线和带电粒子辐射而电力。是地球大气中自由电子密度足以对无线电波传播产生显著影响的区域。

2、电离层的高度范围：60~1000km

3、电离层的基本特性是：a.具有足够数量的自由电子和离子，显著地影响电磁波传播b.电离度低（~1%），相当多的大气分子和原子未被电电离；电子和离子的运动还部分地受中性风的影响。

4、电离层的结构，电离层电子密度以及离子成分随高度的变化#分层结构与不匀称结构

①电离层的分层结构：D 60~90km; E 90~160km; F 160km以上f critical=9×10-3√N WHRER N=electron density per cm3and fcriticalis in MHz.

D层：主要电离源：太阳的拉曼α辐射和软X射线辐射/夜间D层基本消失/由于大气比较稠密，电子与中心粒子和离子的碰撞频繁，无线电波在这一层中的衰减严重/夜间D层基本消失。

E层：主要电离源：太阳紫外线和软X射线/电子密度峰值出现在105~110km之间/夜间E层的电子密度很低。

F 层：是电离层中持久存在、电子密度极大所在的层次。分为F1和F2。

②电离层的不规则性（不匀称结构）：a.高密度斑与低密度泡b.散见E 层和扩散F

5、电离层扰动：太阳电磁辐射和粒子辐射的增强引起的电离层状态变化

6、突发电离层骚扰：太阳耀斑爆发出的X 射线暴使得向阳面D 区的电离密度急剧增加，短波和中波无线电信号立即衰落甚至完全中断。

7、电离层暴：地磁场发生全球性变化时，电离层状态发生的急剧变化称为电离层暴；正常形态打乱，使得通信适用频率的选择困难。

8、电磁波在电离层中的传播：a.直接视距传播（地波）b.地球表面与电离层D 层之间多次反射传播（大气波导）c.在E 层或F 层反射传播（天波）d.穿过电离层（卫星通信）

①极低频与甚低频传播：极低频信号在地球和电离层之间所构成的“波导管”中传播，稳定可靠。【极低频波的特点：超视距传播，能穿入海水数百米【极低频通信系统缺点：系统极为庞大，天线效率极低，可能对四周环境造成有害影响，对电力线、电话线和电气设备等形成电磁干扰；费用昂贵

②低频波传播（长波）：

③中频波传播（中波）：地波传播，主要用于导航、海上通信、调幅广播

④高频波（短波）传播：天波，电离层反射，主要用于短波广播、电话、超视距雷达

【f maxf =f critical /sin α，α=发射方向与水平方向夹角，同时存在最低频率限制（ALF ），低于此频率将被D 层吸收

⑤超高频波传播：视距传播，用于卫星通信、雷达和移动通信

△影响电磁波传播的因素

电离层不均匀结构：电离层闪烁，信号相位变化，导致导航、定位误差，数字通讯误码，影响无线电波传播路径

电离层扰动、突发电离层骚扰和电离层暴：a.最高和最低可用频率变化b.飞行体跟踪、航天器测轨受影响c.信号被吸收、通讯中断d.导航、定位的精度受影响d.影响微波遥感e.时间同步问题

△电磁波在电离层中的反射

建立电离层的平板模型。

每层板的折射指数分别是n1, n2, n3等的薄

板（但每个板有几个波长厚），

将斯涅尔定律应用到每个边界，得到：

sini 0=n 1sini 1

n 1sini 1=n 2sini 2

n 2sini 2=n 3sini 3

…=…

n （r-1）sini (r-1)=n r sin90°=n r

所以有sini 0=n r

根据等离子体理论n 2=1-ωN 2/ω2

这里ωN 是等离子体频率，ωN 2=ne 2/ε0m

f critical =9×10-3N 1/2，这里N=等离子体密

度/cm 3，f 的单位是MHz

四、磁层

1、磁层的定义：太阳风流经地球时，与地球磁场相互作用而在地球周围形成的、地球磁场

对带电粒子起控制作用的区域

2、极光：

a.产生：带电粒子撞击高层大气的分子或原子而激发的绚丽多彩的发光现象称为极光

b.分布：主要发生在高磁纬地区，70至1000km的范围内

c.紫外极光、X射线极光、质子极光与电子极光

d.由于地磁场的存在，只有在极区或者高磁纬地区，带电粒子才能运动到较低的高度，与大气分子相撞，产生极光。解释：粒子在不均匀磁场中受力的方向与磁场增加的方向相反；由于这个力的作用，粒子运动到一定高度之后将反弹，反弹点称为镜点，因为在相反的极区也有这样的点；如果入射粒子接近与磁场平行，那么磁镜点降低，若低于100km，则粒子在反射之前就与大气分子相撞，称作粒子沉降。

e.为什么极光是五颜六色的？答：大气成分、带电粒子的种类、带电粒子的能量

f.研究极光的意义：*极光与太阳活动密切相关*由激光频谱可判断沉降粒子种类*由极光区分布可判断太阳活动和地磁活动程度

3、辐射带：在地磁场作用下能围绕地球漂移一周以上的带电粒子称捕获粒子。辐射带的定义是在地球周围由地磁场捕获的高能带电粒子区域（这是一个比较确定的区域），按空间区域分内辐射带（在赤道面上离地心1.1到3.3个地球半径，主要是高能质子）和外辐射带（在赤道面上离地心4.5到6.0个地球半径，主要由电子组成）。

4、地磁活动

a.地磁活动的定义：带电粒子沿着磁力线运动产生场向电流产生磁场，垂直于磁力线运动产生环电流，产生磁场。这些磁场使正常情况下的地磁场值发生变化，称为地磁扰动，或地磁活动。其中，由大的环电流引起的地磁场变化成为磁暴。

b.磁暴：在地球的赤道上空，电子与离子在地磁场中漂移方向相反，因而产生环绕赤道的电流，称为“环电流”。这个环电流产生的磁场与地磁场的水平分量相反，因此，强的环电流是地磁水平分量减小很大，形成磁暴。

c.亚暴：*定义：地磁场持续时间为2、3小时的扰动，是存储在地球磁尾的太阳风能量瞬时释放引起的。引起极光卵增大、增亮。*分布：平均一天出现四到五次，每次释放一个中等地震的能量。

d.磁暴和亚暴效应

在地面的效应：对输电线路的破坏

对航天器的效应：航天器带电

对近地环境的效应：高层大气加热

对载人航天的效应：对宇航员的辐射损害

对电离层的效应：通讯受到干扰甚至中断

对人类生存环境的效应：带电粒子对臭氧分布的影响