1、地球科学概论空间物理部分复习资料地球科学概论空间物理部分复习资料徐旺达一、地球的中高层大气与电离层一、地球的中高层大气与电离层1.地球空间地球空间：靠近行星地球的靠近行星地球的、受太阳辐射变化直接影响的空间区域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内边界大约距离地球表面表面 60 公里，外边界是太阳风与地磁场相互作用形成的。公里，外边界是太阳风与地磁场相互作用形成的。2.地球空间构成：中高层大气、电离层、等离子体层、磁层3.大气层分层：对流层、平流层、中间层、电离层、热层和磁层。4.热层的加热源：吸收太阳紫外辐射和 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
2、区）5.大气密度日变率：40 公里以下： 6%50100 公里：1025%100 公里以上：随太阳活动和地磁活动而变化；在磁暴发生几小时后，密度可增加几倍甚至达 10 倍。6.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。7.研究临近空间（20100 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8.臭氧层：臭氧层是指大气层的平流层中臭氧（O3）浓度相对较高的部分，其主要作用是吸收短波紫外线。臭氧层分布在离地 2050 千米的高空，臭氧主要是紫外线产生的。9.音障：当物体的速度接近音速时，将会逐渐追上自己
3、发出的声波，由于机身对空气的压缩无法迅速传播，将会在飞机迎风面及其附近区域积累，形成一个突变面激波面。10.黑障区：导弹和航天器返回舱等再入体返回大气层时，因再入体表面超高速摩擦形成高温等离子区导致无线电信号衰减至中断的飞行区段。11.高层大气对卫星的影响：卫星轨道、寿命、返回时的加热和回落点以及高层大气风切变影响航天器发射成功率。12.电离层：地球高层大气的一部分，因受太阳的紫外线、电离层：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离。射线和带电粒子辐射而电离。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。是地球大气中自由电子密度足以对无线电波传播产生
4、显著影响的区域。601000 km13.电离层的基本特性：电离层的基本特性：具有足够数量的自由电子和离子，显著地影响电磁波传播。具有足够数量的自由电子和离子，显著地影响电磁波传播。电离度低（电离度低（1%） ，相当多的大气分子和原子未被电离。，相当多的大气分子和原子未被电离。电子和离子的运动还部分地受中性风的影响。电子和离子的运动还部分地受中性风的影响。14.影响电离层状态的主要因素：影响电离层状态的主要因素：电离过程电离过程：增大电荷密度；主要电离源是来自太阳的短波辐射与粒子辐射复合过程复合过程：减少电荷密度；与大气密度、风等因素有关15.电离层的结构：指电离层电子密度以及离子成分随高度的变
5、化。电离层的结构：指电离层电子密度以及离子成分随高度的变化。分层结构：分层结构：D 层层： （6090km）主要电离源：太阳的拉曼 a 辐射和软 X 射线辐射夜间 D 层基本消失。无线电波在这一层中的衰减严重（原因：大气较稠密，电子与中性粒子和离子的碰撞频繁）E 层层： （90160km）主要电离源：太阳紫外线和软 X 射线电子密度峰值出现在 105110km 之间。夜间 E 层的电子密度很低。F 层层： （160km 以上）是电离层中持久存在、电子密度主极大所在的层次电子密度主极大所在的层次。分为 F1 和 F2。不均匀结构（不规则性）各种空间尺度的高密度“斑”和低密度“泡” ，统称为不规则
6、性，或不均匀结构。最显著的不规则性是散见 E 层和扩展 F。16.电离层扰动：电离层扰动：突发电离层骚扰突发电离层骚扰：太阳耀斑发出的太阳耀斑发出的 X 射线暴使向阳面射线暴使向阳面 D 区的电离密度急剧增加区的电离密度急剧增加，短波和中短波和中波无线电信号立即衰落甚至完全中断。波无线电信号立即衰落甚至完全中断。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。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。正常形态打乱，使得通信使用频率的选择困难。正常形态打乱，使得通信使用频率的选择困难。17.电磁波在电离层中的传播：电磁波在电离层中的传播：低频波传播（超视距）低频波传
7、播（超视距）中频波传播（视距）中频波传播（视距）高频波（短波）传播（天波）高频波（短波）传播（天波）超高频超高频波传播（视距）波传播（视距）无线电波传播的形式：无线电波传播的形式：直接视距传播（地波）直接视距传播（地波）地球表面与电离层地球表面与电离层 D 层之间的多次反射传播（大气波导）层之间的多次反射传播（大气波导）在在 E 层或层或 F 层反射传播（天波）层反射传播（天波）穿过电离层（卫星通信）穿过电离层（卫星通信）18.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（电离层闪烁电离层闪烁：当电波通过电离层时当电波
8、通过电离层时，因电离层不均匀结构因电离层不均匀结构，造成信号振幅造成信号振幅、相位等的相位等的短周期不规则变化短周期不规则变化）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19.极光：极光：概念：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。概念：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。地点：主要发生在高磁纬地区，地点：主要发生在高磁纬地区，701000km 的范围内。的范围内。粒子的沉降粒子的沉降磁镜点：粒子被反射的点
9、磁镜点：粒子被反射的点粒子沉降：如果入射粒子接近与磁场平行，磁镜点降低，若低于粒子沉降：如果入射粒子接近与磁场平行，磁镜点降低，若低于 100km，则粒子在反射，则粒子在反射之前就与大气分子相撞，称为粒子沉降。之前就与大气分子相撞，称为粒子沉降。极光为什么主要出现在高磁纬地区：由于地磁场在极区或高（磁）纬地区汇集，带电粒极光为什么主要出现在高磁纬地区：由于地磁场在极区或高（磁）纬地区汇集，带电粒子可以运动到较低的高度，与大气分子相撞，产生极光。子可以运动到较低的高度，与大气分子相撞，产生极光。地球的极光产生地球的极光产生：地球大气高层的气体分子或原子地球大气高层的气体分子或原子（N,O,O2,
10、N2）受磁层电子撞击受磁层电子撞击，会被会被激发到较高的能态或被电离，当离子重新俘获电子或激发态原子回到基态的时候，多余的激发到较高的能态或被电离，当离子重新俘获电子或激发态原子回到基态的时候，多余的能量便会以某些特定波长（不同色彩）的光波发射出来。能量便会以某些特定波长（不同色彩）的光波发射出来。产生极光的要素：大气，磁场和带电粒子产生极光的要素：大气，磁场和带电粒子影响极光颜色的因素：大气成分影响极光颜色的因素：大气成分带电粒子的种类带电粒子的种类带电粒子的能量带电粒子的能量研究极光的意义：研究极光的意义：极光与太阳活动太阳活动密切相关由极光频谱可判断沉降粒子种类沉降粒子种类由极光区分布可
11、判断太阳活动和地磁活动程度太阳活动和地磁活动程度，了解空间天气状况了解空间天气状况二、磁层物理二、磁层物理1.磁层磁层：太阳风流经地球时太阳风流经地球时，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、地球磁场对带电粒地球磁场对带电粒子起控制作用的区域。子起控制作用的区域。2.带电粒子在地磁场中的运动形态：回旋带电粒子在地磁场中的运动形态：回旋 弹跳弹跳 漂移漂移3.环电流：地球赤道上空环电流：地球赤道上空,电子与离子在地磁场中漂移方向相反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因而产生环绕赤道的电流4.地磁活动地磁活动带电粒子沿着磁力线运动带电粒子沿
12、着磁力线运动产生场向电流产生场向电流产生磁场扰动产生磁场扰动带电粒子垂直于磁力线运动带电粒子垂直于磁力线运动产生环电流产生环电流产生磁场扰动产生磁场扰动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5.磁暴磁暴：地球磁场的水平分量在一到几个小时内急剧下降而在随后的几天内恢复的现象地球磁场的水平分量在一到几个小时内急剧下降而在随后的几天内恢复的现象，它它是由环电流增强引起的是由环电流增强引起的。 （是全球范围内地磁场的剧烈扰动是全球范围内地磁场的剧烈扰动， 扰动时间持续十几小时到几天扰动时间持续十几小时到几天）一般分为磁暴急始、主相和恢复相三阶段一般分为磁暴急始、主相和恢复相三
13、阶段6.磁暴产生的直接原因：磁暴产生的直接原因：太阳活动期间，大量的带电粒子进入地球空间，并被地磁场捕获。由于粒子增多，环电流太阳活动期间，大量的带电粒子进入地球空间，并被地磁场捕获。由于粒子增多，环电流也增强。环电流产生的磁场与地磁场叠加，使得地磁场的水平分量急剧下降。这时，我们也增强。环电流产生的磁场与地磁场叠加，使得地磁场的水平分量急剧下降。这时，我们就说发生了磁暴。就说发生了磁暴。磁暴发生与太阳活动有密切关系，大的非重现性磁暴与磁暴发生与太阳活动有密切关系，大的非重现性磁暴与 CME 联系密切联系密切重现性磁暴：有时一次磁暴发生 27 天（一个太阳自转周期）后，又有磁暴发生。这类磁暴称
14、为重现性磁暴。7.地磁活动指数：表示一定时间间隔内地磁场扰动程度的数字，称为地磁活动指数。常用的有 Kp 指数、Ap、Dst 指数等。数字越大，表示地磁扰动越强。8.亚暴亚暴地磁场持续时间为地磁场持续时间为 2、3 小时的扰动，是存储在地球磁尾的太阳风能量瞬间的释放引起的小时的扰动，是存储在地球磁尾的太阳风能量瞬间的释放引起的。引起极光卵增大、增亮。平均一天出现引起极光卵增大、增亮。平均一天出现 45 次，每次释放一个中等地震的能量。次，每次释放一个中等地震的能量。磁尾：由于太阳风的作用，背着太阳一面的地磁场伸展到非常远的地方，形成一个磁尾，其边界近似圆柱形。 极光卵：极区上空极光频繁出现的椭
15、圆形带状区域。9.磁暴和亚暴效应磁暴和亚暴效应对输电线路的破坏（在地面的效应）对输电线路的破坏（在地面的效应）航天器带电（对航天器的效应）航天器带电（对航天器的效应）高层大气加热（对近地环境的效应）高层大气加热（对近地环境的效应）对宇航员的辐射损害（对载人航天的效应）对宇航员的辐射损害（对载人航天的效应）通讯受到干扰甚至中断（对电离层的效应）通讯受到干扰甚至中断（对电离层的效应）对人类生存环境的影响（带电粒子对臭氧分布的影响）对人类生存环境的影响（带电粒子对臭氧分布的影响）10.地球辐射带：地球辐射带：地磁场将高能的带电粒子（地磁场将高能的带电粒子（MeV）约束在地球空间确定的区域内，形成带电
16、粒子比较集中）约束在地球空间确定的区域内，形成带电粒子比较集中的地区。的地区。在地球周围由地磁场捕获的高能带点粒子区域在地球周围由地磁场捕获的高能带点粒子区域按空间区域分内辐射带和外辐射带：按空间区域分内辐射带和外辐射带：内辐射带：在赤道面上离地心内辐射带：在赤道面上离地心 1.13.3 个地球半径，主要是高能质子；个地球半径，主要是高能质子；外辐射带：在赤道面上离地心外辐射带：在赤道面上离地心 4.56.0 个地球半径，主要由电子组成。个地球半径，主要由电子组成。三、太阳与太阳风物理三、太阳与太阳风物理1.太阳的结构日核：厚度约为太阳半径的 1/4，氢聚变为氦。辐射区：太阳厚度的 20%到
17、80%，光子输送能量。对流区：底部温度高、顶部温度低，形成对流。太阳大气：光球层、色球层、过渡区、日冕，主要成分氢和氦。2.光球层：肉眼可看见的日轮，几百公里厚。可见光波段的辐射几乎全部是光球层特征：暗的黑子、亮的光斑、米粒和超米粒结构。3.太阳黑子太阳黑子： 光球层上的黑色斑点光球层上的黑色斑点， 是光球上温度较低是光球上温度较低、磁场较高的区域磁场较高的区域。黑子区磁场最强黑子区磁场最强。形成过程：高通量的带电粒子和强磁场会阻碍对流，限制热量传输到太阳表面；以至于部形成过程：高通量的带电粒子和强磁场会阻碍对流，限制热量传输到太阳表面；以至于部分光球层冷却，因此看上去黑一些。分光球层冷却，因
18、此看上去黑一些。4.色球层：在光球层上面的不规则层，大约 1500 公里厚。用单色光观测，可以看见它是一个美丽的玫瑰红色的气球，因而得名色球层。5.过渡区：色球层和日冕之间的薄层，在这个层的上下，温度发生急剧变化。6.日冕： 过渡区上是日冕层， 延伸到数倍太阳半径处； 是温度 108K 的高温、 稀薄等离子体。7.冕洞：在太阳 X 射线成像中暗的区域。冕洞是高速太阳风的源8.太阳风：在太阳表面，日冕气体温度很高，足以克服太阳引力，以 400800km/s 的典型速度离开太阳，这个外流的等离子体称为太阳风。太阳风主要由质子和电子组成，也有少量的氦核与重离子；太阳风高速流来自冕洞。9.太阳爆发性活
19、动：太阳爆发性活动：日冕物质抛射：日冕物质被加热和加速，速度超过逃逸速度而飞向行星际空间；日冕物质抛射：日冕物质被加热和加速，速度超过逃逸速度而飞向行星际空间；在太阳活动峰年， 太阳每天发生大约 3 次 CME； 在太阳活动低年， 大约每 5 天发生一次 CME太阳耀斑：太阳爆发性的能量释放过程，持续时间从几十秒到几小时太阳耀斑：太阳爆发性的能量释放过程，持续时间从几十秒到几小时主要特征是电磁辐射急剧增大主要特征是电磁辐射急剧增大；在强耀斑期间，紫外和 X 射线辐射可增强 100 倍。10.CME 与耀斑：大约有一半的与耀斑：大约有一半的 CME 与耀斑无关。与耀斑无关。耀斑伴随着强烈的电磁辐
20、射耀斑伴随着强烈的电磁辐射，并不总有粒子辐射并不总有粒子辐射；而而 CME 主要是抛射物质主要是抛射物质（磁化的等离子磁化的等离子体体）大磁暴与大磁暴与 CME 相关相关，耀斑通常不引起磁暴耀斑通常不引起磁暴，只有同时有强的粒子辐射的耀斑才引起磁只有同时有强的粒子辐射的耀斑才引起磁暴。暴。11.太阳周期性活动：太阳电磁辐射与粒子辐射周期性的变化称为太阳的周期性活动。太阳周期性活动：太阳电磁辐射与粒子辐射周期性的变化称为太阳的周期性活动。主要周期活动主要周期活动： 27 天太阳自转周变化天太阳自转周变化 11 年太阳黑子周期变化年太阳黑子周期变化 22 年太阳磁场极性周期变化年太阳磁场极性周期变
21、化12.太阳风与日地关系：太阳风等离子体是联系太阳活动与地球空间变化的纽带；太阳风在接近磁层时的状态直接影响地球空间的变化。13.太阳可变性太阳可变性电磁辐射电磁辐射：在在 22 年太阳活动周中年太阳活动周中，可见光波长变化比较小可见光波长变化比较小，在短波区在短波区（紫外和紫外和 X 射线射线）及及射频变化可达射频变化可达 100 倍；在耀斑期间倍；在耀斑期间 X 射线变化可达射线变化可达 106。在。在 11 年太阳黑子周中太阳总输年太阳黑子周中太阳总输出功率变化是千分之几，但足以影响气候变化。出功率变化是千分之几，但足以影响气候变化。带电粒子：包括低能太阳风等离子体和高能粒子，它们携带了
22、太阳的部分能量。太阳风有带电粒子：包括低能太阳风等离子体和高能粒子，它们携带了太阳的部分能量。太阳风有以以 27 天为周期的变化和由于日冕喷射的偶然变化。天为周期的变化和由于日冕喷射的偶然变化。14.描述太阳活动的主要参数:太阳黑子数10.7cm.射电通量（F10.7） 耀斑级日冕物质抛射（CME） 太阳风速度15.日冕物质抛射对地球空间的影响磁暴高能电子暴太阳质子事件16.太阳爆发对地球空间的效应太阳爆发对地球空间的效应X 射线暴射线暴-8 分钟到达地球分钟到达地球-电离层突然骚扰电离层突然骚扰相对论高能粒子相对论高能粒子-十几分钟到达地球十几分钟到达地球-极区电离层电离增加极区电离层电离增
23、加-影响极区通讯影响极区通讯太阳能量粒子太阳能量粒子-几个小时到达地球几个小时到达地球-对航天员的危害，对航天器的危害对航天员的危害，对航天器的危害高速太阳风高速太阳风-2 天左右到达地球天左右到达地球-磁暴、亚暴磁暴、亚暴电离层突然骚扰；电离层暴；极盖吸收事件；磁暴；磁层高能粒子暴电离层突然骚扰；电离层暴；极盖吸收事件；磁暴；磁层高能粒子暴四、太阳系行星科学四、太阳系行星科学1.太阳系的构成：行星（类地类木太阳系的构成：行星（类地类木） 、矮行星（谷神星冥王星珍娜、矮行星（谷神星冥王星珍娜） 、小天体（流星彗星、小天体（流星彗星） 。2.行星的定义：一颗行星是一个天体，它满足行星的定义：一颗
24、行星是一个天体，它满足:A，围绕太阳运转；，围绕太阳运转；B，有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的（近于圆球）形状，有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的（近于圆球）形状C，同时清空了所在轨道上的其他天体，同时清空了所在轨道上的其他天体3.矮行星的定义：一颗矮行星是一个天体，它满足:A，围绕太阳运转；B，有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的（近于圆球）形状C，没有清空所在轨道上的其他天体D，同时，不是一颗卫星4.小天体：其他围绕太阳运转的天体，卫星除外，统称为“太阳系小天体” 。5.研究月球的意义：研究月球的意义：科学意义：月球的起源与演变；月球的空间环境；在
25、月球轨道观测地球的空间环境；月球科学意义：月球的起源与演变；月球的空间环境；在月球轨道观测地球的空间环境；月球天文台；在月球上监测近地小行星。天文台；在月球上监测近地小行星。月球资源：核聚变材料月球资源：核聚变材料氦氦 3,；极区可能存在的水冰；稀有矿物资源。；极区可能存在的水冰；稀有矿物资源。技术意义：为更深远探测做技术准备；验证一些新技术；推动高技术发展。技术意义：为更深远探测做技术准备；验证一些新技术；推动高技术发展。军事意义军事意义6.类地行星的共同特点类地行星的共同特点：基本上是由岩石和金属组成基本上是由岩石和金属组成；固体表面固体表面，密度高密度高；自旋缓慢自旋缓慢；没有没有环；卫
26、星少环；卫星少主要差别：金星的自转方向与其他类地行星相反；大气压强相差大，主要成分不同；磁场主要差别：金星的自转方向与其他类地行星相反；大气压强相差大，主要成分不同；磁场强度不同；和太阳远近不同；表面温度不同。强度不同；和太阳远近不同；表面温度不同。7. 研究类地行星演变的意义研究类地行星演变的意义地球所含的二氧化碳与金星一样多，但地球所含的地球所含的二氧化碳与金星一样多，但地球所含的 CO2 储藏在动物骨骸所形成的灰石中储藏在动物骨骸所形成的灰石中；未来将怎样变化？未来将怎样变化？金星大气原来是什么状态？为什么演变到今天的情况？金星大气原来是什么状态？为什么演变到今天的情况？火星的臭氧层怎样
27、被破坏的？人类应吸取什么教训？火星的臭氧层怎样被破坏的？人类应吸取什么教训？类地行星研究关注的问题类地行星研究关注的问题1、 类地行星环境及其演变类地行星环境及其演变 2、类地行星磁场的源、类地行星磁场的源 3、火星上是否有水和生命、火星上是否有水和生命8.类木行星的共同特点是：都有行星环；星体密度较低；有较多的卫星。类木行星的共同特点是：都有行星环；星体密度较低；有较多的卫星。其他重要问题：其他重要问题：1.彗星为什么会有两条彗尾彗星为什么会有两条彗尾：太阳辐射和太阳风是促使彗星有两条彗尾的原因太阳辐射和太阳风是促使彗星有两条彗尾的原因。等离子体等离子体尾因受太阳辐射和太阳风的斥力而偏离彗星轨道尾因受太阳辐射和太阳风的斥力而偏离彗星轨道， 背向太阳运动背向太阳运动， 中性气体尾是笔直的中性气体尾是笔直的，被太阳风往后推出。被太阳风往后推出。2.带电粒子为什么会在南北两极之间弹跳：带电粒子为什么会在南北两极之间弹跳：3.电磁波为什么会在电离层中被反射：电磁波为什么会在电离层中被反射：4.地球大气层的温度变化特性由（地球大气层的温度变化特性由（）和（）和（）两种过程决定）两种过程决定5.5.电磁波在电离层中的传播特性电磁波在电离层中的传播特性：
