日地关系jinghairong.ppt

1、,太阳-地球-人类 日地空间环境,北京天文馆 景海荣博士 Tel: 51583068 Mail: ,一、 太阳概况 二、太阳的结构 三、太阳活动 四、日地关系 五、研究意义,一、 太阳概况 1、太阳是银河系中一颗普通的恒星，距离银河系的中心约3万光年，公转周期约2亿年，目前位于主序阶段，已有50亿年的历史；估计其寿命还有50亿年(到白矮星阶段) ； 2、日地平均距离 1亿5千万公里； 3、太阳的半径为 6.96*105公里（69万6千公里）；是地球半径的109倍，它的体积约为地球体积的130万倍；,4、太阳的质量1.989*1030 kg，是地球质量的33万倍（地球质量为5.97*1024 k

2、g)； 平均密度1.408g/cm3；表面重力加速度274m/s2 5、地球接收太阳总辐射能的22亿分之一。 6、太阳的自转在两极和赤道不同，赤道区转速快，极区转速慢，在赤道处自转周期约25天，极区约29天，称为较差自转。 测量方法：天体测量学 如：距离：雷达、三角视差、红移等 质量：万有引力定律,太阳自转情况：红色表示转速快，兰色表示转速慢。,二、太阳的结构 1、核反应区（0-0.25R) : 太阳能量的主要来源，产能机制是氢聚变为氦的热核反应，中心区温度1500万度，质量占太阳总质量的一半以上; 2、辐射区（0.25-0.75R) ：核反应区的能量以辐射的形式向外传送，温度下降一个量级;

3、3、对流层（0.75-1R) ：太阳物质上下翻滚，形成湍流，以物质对流的形式向外传能，对流运动本身以米粒和超米粒的形式在表面表现出来，温度又下降一个量级;,4、光球层: 人眼所看见的明亮圆盘，温度5770K，太阳的可见光绝大部分从这里发出，厚度约500公里； 5、色球层：光球层之上厚约2000公里的太阳大气，在日全食或用色球望远镜可见，其温度又开始上升； 6、日冕区：太阳的外层大气，没有明显的外边界，日全食时可见，温度达到百万度。,观测、分析获得结果 太阳内部结构的观测手段：日震学 太阳表面的震荡,三、宁静太阳 基本上是一颗球对称和稳定的恒星， 她是时间上稳定、空间上球对称和均匀地向四面八方辐

4、射的。其物理性质在空间上只随日心距变化，在同一半径的球层中物理性质是相同的。,三、太阳活动 1、太阳黑子：光球面上经常出没的暗黑斑点；因温度相对较低而显得黑（约4500度），太阳黑子的本质是太阳上的磁场聚集区。 小黑子的线度只有几百公里，而大黑子可达20万公里，黑子的寿命从几分钟到几个月不等。 黑子多出现在低纬度区，经常成对或成群出现，黑子群中一般有两个主要黑子，它们的极性相反，前面的称为前导黑子（西边），后面的称为后随黑子，前导黑子距太阳的赤道较近。 太阳黑子数的变化有11年的周期性，其在日面纬度上的分布也有11年的变化周期。,磁场聚集区为什么温度较低？ 两种解释：a、磁流管组成的磁场区部分

5、地仰制了对流，致使对流层中的能量不能充分向上传输，造成黑子温度比周围低；b、阿尔文波带走了能量 太阳上几乎所有的活动都是由于太阳黑子引起的。,2、太阳耀斑：邻近黑子上方的突发明亮物，是太阳大气中的一种不稳定过程，它在短时间（几分钟到十几分钟）内释放大量的能量，引起局部区域瞬时加热和各种电磁辐射及粒子辐射突然增强，又称色球爆发。 一次大的耀斑爆发所释放的能量相当于上百亿枚百万吨级氢弹的爆炸所释放的能量 白光耀斑： 较为少见的太阳剧烈活动现象，可直接观测； X射线耀斑 、质子耀斑 耀斑的出现频度和黑子数有关，即在太阳活动丰年耀斑活动频繁。,TRACE卫 星在空间观 测到的2000 年7月14日 大

6、耀斑紫外 线资料编辑 的电影。,这是欧洲宇航局和美国国家航空航天局联合发射的SOHO卫星得到的2000年7月14日大耀斑的远紫外线观测资料。,3、日珥：突出在日面边缘的白炽气体喷射物，形状似耳，高度可达几十万公里； 宁静日珥：悬浮于色球上的日冕区，可保持几天到几周的时间； 爆发日珥：激烈活动的日珥，持续时间为几分钟到几个小时。 暗条：日面中心的日珥。 日珥的形成也和黑子密切相关,4、日冕物质抛射（CME)：突发的、持续时间为几十分至两小时的物质抛射。 日冕物质抛射和太阳耀斑及爆发日珥有关，但它们也能够独立出现，其出现的频度也和黑子活动周有关。,2000年7月14日发生的日冕物质抛射。,2002

7、-1-4,2002-1-4,5、冕洞：日冕上形状不规则的黑暗区域，它和日冕上的磁场开放区有关，多出现在极区，存在时间较长（几个月），是强太阳风的风源。,6、太阳风：日冕抛向行星际空间的粒子流。由于日冕处于膨胀状态，因而，无论是否存在太阳活动，都有稳定的太阳风流出（320-710公里/秒），一般情况下太阳风的平均流速为450公里/秒。 太阳风暴：太阳活动（耀斑、爆发日珥、日冕物质抛射等）所引起的高速、高密粒子流。,四、日地关系 太阳活动所产生的各种电磁辐射和粒子流对地磁场、地球大气以及气候变化所产生的影响。 太阳赐给 地球生命,对流层 10C,对流层顶 -50C,平流层,臭氧层 -10C,中间层

8、 -80C,电离层 0C,D,D70-90,长波,E100-120，中波,F160-450，短波,地球表面的平均气温是摄氏14度，如果没有大气，则为-21度。 对流层主要通过地面的红外辐射加热，所以对流层的温度随着高度降低；臭氧层吸收太阳的紫外辐射，因此温度升高；高度再增长时，温度下降；到达电离层时，由于吸收太阳的x射线，温度又迅速升高，最高温度可达摄氏1100度。电离层之外是地球的外层大气，延伸到地球外2-3千公里。,太阳活动对地球的影响 地球磁场地球的保护衣。,自转轴,磁轴,磁鞘,磁层顶,地磁暴：地球磁场的强烈扰动。地磁暴的形成是由太阳活动产生的高速太阳风压缩地球磁层引起的，是磁层把从太阳

9、风捕获的能量在自身内部进行释放的过程。 磁层的扰动影响与其相连的地球电离层和地层大气，使整个地球大气层都发生相应的扰动。,1、地球磁场变化引起罗盘失灵，影响飞机船舶航行及雷达的正常工作；同时地磁场的变化也会对电力系统及输油管道的正常工作产生影响，因为强烈的磁暴在闭合导电回路中产生强大的感应电流，使输电线路发生故障。 2、太阳活动对电离层的扰动影响无线电通讯。电离层（70-400公里）是由于太阳辐射引起地球大气分子电离产生的，太阳辐射的变化将引起电离层的变化。 无线电波是通过电离层的反射而传播的，电离层的运动和变化增加了传播信号的噪声，低层（D）的吸收降低信号的强度。,夜晚的短波通讯效果比白天好

10、。（稳定） 正常情况下，电离层中的扰动幅度较小，不会对通讯产生太大影响，但太阳活动造成的电离层状态突变会使通讯中断。 3、太阳活动所产生的高能粒子流对宇航员及卫星系统造成危害。 4、极光现象：常出现与地磁极附近大气中的彩色发光现象。来自太阳的高能粒子流在地磁场的作用下，沿磁力线飞向极区 ，使高层大气中的分子或原子激发或电离而产生。,5、太阳活动和地球气候变化的关系 大量的统计资料表明，太阳活动和地球气候变化具有相关性。 三个因素： 太阳总输出能量的变化（一个黑子周期间变化幅度小于0.1%。太阳常数-垂直太阳 方向单位面积上在单位时间接收到的太阳辐射能。约为1.96卡(厘米2分钟=1.37千瓦/

11、米2)）； 紫外和远紫外辐射的变化； 太阳风和磁场的变化。,太阳活动中紫外和远紫外辐射的变化很大。太阳电磁辐射对地球表面和大气层的加热，形成了大气层的温度垂直分布结构和大气环流，尤其是在对流层中造成了各种复杂的大气现象。太阳电磁辐射中，波长短于1400埃的紫外部分，是造成地球大气电离层和臭氧层的主要电离源。这些辐射会引起地球上层大气的扰动及臭氧层的变化。 太阳活动产生的高速太阳风扰动地球磁场产生磁暴，加热高层大气，引起气压的变化，产生大气环流，导致气候的变化。,The Earths rotation,twists the convection currents to establish glo

12、bal atmospheric circulation patterns.,The Earths rotation,6、某些细菌和微生物的活动也可能受太阳辐射的制约； 某些疾病如流行性感冒，心血管疾病等也与太阳黑子数有关； 7、树木生长的年轮圈的疏密情况明显地呈现11年的周期性，主极大对应于活动的峰年。 太阳峰年地面上的紫外线有多少？,8、太阳活动和地震有关吗？ 地震：地球板块的错动、断裂及滑动等。 大量的统计结果显示，地震也呈现11年和22年的活动周期，与黑子活动有关。根据地磁扰动进行地震预报也取得了一定的成功。原因何在？,太阳活动发出的大量辐射和带电粒子流使地磁场受到强烈扰动，磁暴可在地壳

13、中产生力的作用，成为地震的导火索。 太阳耀斑触发了地震，高能粒子形成潮汐一样的能量波，其中的甚低频辐射使已积聚巨大应力的断层发生共振。,五、研究意义 1、太阳活动预报 2、开发利用太空 卫星：侦察、气象、资源、通讯、导航 空间站、空间望远镜等 空间太阳能发电站 无线能量传输 3、探索宇宙奥秘 各种宇宙飞船 我国太阳研究简介,历史上若干重大空间灾害性事件 1958年2月9-10日，地磁暴造成北大西洋电报电缆中断，多仑多停电； 1972年8月4日，强磁暴使美国伊力诺斯等州电力电缆中断，变压器损坏； 1979年3月，对越自卫反击战时，大耀斑导致部队无线通讯完全中断； 1989年3月13-14日，强磁暴造成加拿大魁北克地区电网停电；全球无线电通讯受到干扰，日本一颗通讯卫星异常；美国一颗卫星轨道下降；,1990年太阳峰期，高能粒子造成我国风云-IB气象卫星提前报废； 1991年4月29日，强磁暴发生后使美国缅因州核电厂发生灾难性破坏； 1997