1、地球科学概论地球科学概论空间物理部分第二次作业徐旺达13000126061.什么是地球空间？什么是地球空间？地球空间是指靠近行星地球的受太阳辐射变化直接影响的空间区域。 它包括地球高层大气以及从这个高度以上的地磁场。 按照分层， 地球空间由中高层大气、 电离层、 等离子体层、磁层组成。它不同于仅靠地面、产生各种天气过程的低层大气，也不同于行星际空间，尽管太阳也对这两个区域产生影响。地球空间的物质主要源于地球，是地球大气的一部分。地球空间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，约几十个地球半径。地球空间是有许多相互作用共同产生的区域，也是许多边界决定的区域。这些
2、相互作用包括：地球物质与太阳辐射的相互作用、太阳和地磁场的相互作用、磁场与带电离子的相互作用；这些边界包括：太阳与地球物质的边界、由不同气流支配的各区域的边界。2.中高层大气的特征是什么？中高层大气的特征是什么？根据地球大气的热力学性质及大气温度随高度的特点，大气圈由地面向上可分为对流层、平流层、中间层、热层。在热层之上，中性分子有向星际空间逃逸的现象，常称为外逸层。中高层大气通常是在 20-120km 围的大气层，包括平流层大部分、中间层全部和低热层，有时也指垂直范围更高的大气层。存在于低平流层内的臭氧强烈的吸收来自太阳的紫外辐射。 中层顶是整个地球大气中温度最低的区域， 水蒸气通过非均匀的
3、核化过程产生冰晶粒子，改变行星的反射率， 从而影响局部或全球的气候。 中高层大气是各种航天器的通过区和低轨航天器的驻留区。 中高层大气中因电离而生成的氧原子成分会对航天器表面产生化学腐蚀和剥离。 电离层会与电磁信号发生强烈的相互作用， 而平流层大气和中间层大气则对光学信号的传输有重要影响。大多数流星都消失在中间层。热层主要吸收太阳紫外辐射和 X 射线，在高纬地区通过粒子加热和电离层电流加热。此外高层大气密度随太阳活动变化明显，340km 变为 10 倍，而 500km 变为 50 倍。3.什么是电离层？电离层的结构有何特点？什么是电离层？电离层的结构有何特点？电离层是地球高层大气的一部分， 因
4、受太阳的紫外线、 X 射线和带电粒子的辐射而电离，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。 电离层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（1%） ，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。由于受地球以外射线（主要是太阳辐射）对中性电离层与磁层原子和空气分子的电离作用，距地表 60 千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态， 电离层是部分电离的大气区域， 完全电离的大气区域称磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层看作电离层的一部分。在电离作用产生自由电子的同时，电子和正离子之间碰撞复合，以及电
5、子附着在中性分子和原子上，会引起自由电子的消失。大气各风系的运动、极化电场的存在、外来带电粒子不时入侵，以及气体本身的扩散等因素，引起自由电子的迁移。在 55 公里高度以下的区域中，大气相对稠密，碰撞频繁，自由电子消失很快，气体保持不导电性质。在电离层顶部，大气异常稀薄，电离的迁移运动主要受地球磁场的控制，称为磁层。电离层的主要特性由电子密度、电子温度、碰撞频率、离子密度、离子温度和离子成分等空间分布的基本参数来表示。 但电离层的研究对象主要是电子密度随高度的分布。 电子密度（或称电子浓度）是指单位体积的自由电子数，随高度的变化与各高度上大气成分、大气密度以及太阳辐射通量等因素有关。 电离层内
6、任一点上的电子密度， 决定于上述自由电子的产生、消失和迁移三种效应。在不同区域，三者的相对作用和各自的具体作用方式也大有差异。电离层具有分层结构和不均匀结构， 分为 D 层 （60-90km） ， E 层 （90-160km） ， F 层 （160km以上） 。D 层主要电离源是太阳的拉曼辐射和软 X 射线辐射，夜间 D 层基本消失。由于大气较稠密，电子与中性粒子和离子的碰撞频繁，无线电波在这一层中的衰减严重。E 层高度范围 90160km，电子密度峰值出现在 105110km 之间。其主要电离源是太阳紫外线和软射线，夜间 E 层的电子密度很低。F 层高度范围在 160km 以上，是电离层中持
7、久存在、电子密度主极大所在的层次。一般将 F 层细分成 F1 和 F2 两个层次。电离层是具有不规则性的，各种空间尺度的高密度“斑”和低密度“泡” ，统称为不规则性，或不均匀结构；最显著的不规则性是散见 E 层和扩展 F。散见 E 层在 100120km 高度经常出现的不均匀结构(高电子密度区)，厚度约 35 km，水平尺度约几十至上百 km。太阳辐射使部分中性分子和原子电离为自由电子和正离子，它在大气中穿透越深，强度（产生电离的对流层传播，电离层传播能力）越趋减弱，而大气密度逐渐增加，于是，在某一高度上出现电离的极大值。大气不同成分，如分子氧、原子氧和分子氮等，在空间的分布是不均匀的。它们为
8、不同波段的辐射所电离，形成各自的极值区，从而导致电离层的层状结构。4.电磁波在电离层是怎样传播的？电磁波在电离层是怎样传播的？电磁波在电离层主要通过低频波传播、中频波传播、高频波传播和超高频波传播。无线电波通过直接视距传播（地波） ，可通过地球表面与电离层 D 层之间的多次反射传播（大气波导） ，也可在 E 层或 F 层反射传播（天波） ，或者穿过电离层（卫星通信） 。极低频（ELF）与甚低频（VLF）也是电磁波在电离层的传播方式。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。中频主要靠地波传播，主要用于导航、海上通信、调幅广播。高频波（短波）主要靠天波，即电离层反射或多次反射传播，主要用于短波广播、电话、超视距雷达等应用。 超高频与极高频播主要通过视距传播， 用于卫星通信、 雷达和移动通信。
