地球空间环境绪论2014

1、地球空间环境地球空间环境课程内容大纲课程内容大纲一、地球空间环境概况一、地球空间环境概况二、高层大气结构与大气环流二、高层大气结构与大气环流三、地球空间磁场和空间电场三、地球空间磁场和空间电场四、中低纬电离层现象四、中低纬电离层现象五、高纬电离层现象五、高纬电离层现象六、太阳风与磁层六、太阳风与磁层主要参考书主要参考书地球空间环境概述地球空间环境概述太阳风压缩地球磁场示意图太阳风压缩地球磁场示意图地球偶极磁场示意图地球偶极磁场示意图 地球空间环境概述地球空间环境概述太阳风示意图太阳风示意图地球空间环境概述地球空间环境概述被太阳风包围着的地磁空腔被太阳风包围着的地磁空腔地球空间环境概述地球空间环

2、境概述地球大气的垂直分层地球大气的垂直分层地球高层大气的垂直分层结构地球高层大气的垂直分层结构地球磁层示意图地球磁层示意图磁层顶磁层顶磁鞘磁鞘弓激弓激波波磁层磁层顶顶地球空间环境概述地球空间环境概述磁层结构-子午面磁层结构-子午面日地能量传输日地能量传输 19611961年年DungeyDungey首次提出磁层顶的首次提出磁层顶的磁场重联磁场重联理论，认为地磁场和起源于太阳的行星际理论，认为地磁场和起源于太阳的行星际磁场在特定磁场在特定 条件下可以互相联通，形成条件下可以互相联通，形成 开放磁力线，太阳风通过开放磁力线向开放磁力线，太阳风通过开放磁力线向 地球空间传输物质和能量，地球空间传输物

3、质和能量， 这对于理解这对于理解 日地能量传输过程日地能量传输过程至关重要。至关重要。 1978-19791978-1979年，年，ISEEISEE系列卫星证实了向阳面系列卫星证实了向阳面 磁层顶的稳态重联过程，并发现瞬时重联磁层顶的稳态重联过程，并发现瞬时重联产生的通量传输事件。产生的通量传输事件。磁场重联数值模拟磁场重联数值模拟磁场重联示意图磁场重联示意图能量储存和耗散能量储存和耗散 太阳风与磁层相互作用过程中，太阳风的动能太阳风与磁层相互作用过程中，太阳风的动能不断向磁层输运，并以磁能形式储存在磁尾。不断向磁层输运，并以磁能形式储存在磁尾。 在背阳面，磁力线被拉伸成尾状，处于不稳定在背阳

4、面，磁力线被拉伸成尾状，处于不稳定位型，在一定条件下，这些输入的能量会突然位型，在一定条件下，这些输入的能量会突然释放，以激烈的方式耗散，极光带电离层、磁释放，以激烈的方式耗散，极光带电离层、磁层和等离子体层以及磁尾整体受扰，表现出光、层和等离子体层以及磁尾整体受扰，表现出光、电磁、等离子体等多方面现象。电磁、等离子体等多方面现象。亚暴亚暴就是这种就是这种磁层能量释放的过程，是磁尾的一种激烈而频磁层能量释放的过程，是磁尾的一种激烈而频繁的运动形式。繁的运动形式。极极 光光高能电子沉降到极区电离层高度，撞击中性大高能电子沉降到极区电离层高度，撞击中性大气（主要是氧和氮气（主要是氧和氮) )，使其

5、受激辐射进而发，使其受激辐射进而发光，与荧光灯的原理相似。极光一般发生在光，与荧光灯的原理相似。极光一般发生在极区极区100-400100-400公里高度，但在强磁暴时也可公里高度，但在强磁暴时也可能在低纬看到。能在低纬看到。耀斑的电磁辐射（比如X射线）9分钟就可以到达地球,并引起整个向阳面的短波中断。1-2小时之后，高能粒子到达地球，对太空中的宇航员带来致命伤害，一些敏感的卫星也会造成毁灭性破坏。一次日冕物质抛射可以携带10亿吨的物质并加速到数百万公里/小时,其2小时内的能量可以提供美国10万年的电力。Observations of coronal mass ejections (CMEs)

6、 Large Angle Spectrometric Coronagraph (LASCO) Solar and Heliospheric Observatory (SOHO)日食期间显现的日冕日食期间显现的日冕太阳耀斑太阳耀斑活跃的太阳表面活跃的太阳表面太阳风暴历史重大灾难事件太阳风暴历史重大灾难事件1 1 18591859年年9 9月月1 1日早晨，英国天文学家理查德日早晨，英国天文学家理查德卡林顿用装着卡林顿用装着过滤器的望远镜观测太阳表面时，他发现太阳表面喷射出过滤器的望远镜观测太阳表面时，他发现太阳表面喷射出了一道明亮的闪光。然而卡林顿不知道的是，那团明亮的了一道明亮的闪光。然而卡林

7、顿不知道的是，那团明亮的斑点是一团带着电荷的等离子云，它正朝着地球的方向疾斑点是一团带着电荷的等离子云，它正朝着地球的方向疾速飞来。速飞来。4848小时后，小时后，“超级太阳风暴超级太阳风暴”就袭击了地球，导就袭击了地球，导致热带地区的夜空都能看到极光，这些极光是如此明亮，致热带地区的夜空都能看到极光，这些极光是如此明亮，以至于人们在午夜时分不用点灯都能阅读报纸。以至于人们在午夜时分不用点灯都能阅读报纸。“超级太超级太阳风暴阳风暴”导致当时的许多电报机都瘫痪。此次太阳风暴是导致当时的许多电报机都瘫痪。此次太阳风暴是有记录以来强度最大的一次有记录以来强度最大的一次，不过在，不过在18591859

8、年，世界主要还年，世界主要还依靠蒸汽机和肌肉劳力在运转，所以当年的依靠蒸汽机和肌肉劳力在运转，所以当年的“超级太阳风超级太阳风暴暴”并没有给人类带来过于严重的灾难。并没有给人类带来过于严重的灾难。 太阳风暴历史重大灾难事件太阳风暴历史重大灾难事件2 219891989年年3 3月发生了近代科学史上罕有的超级磁暴。在此期间，大量月发生了近代科学史上罕有的超级磁暴。在此期间，大量飞行物轨道改变，造成跟踪辨认困难；对地静止通信卫星为维持飞行物轨道改变，造成跟踪辨认困难；对地静止通信卫星为维持其正常姿态，两天内所耗的燃料相当于正常运行一年的用量；电其正常姿态，两天内所耗的燃料相当于正常运行一年的用量；

9、电离层暴使低纬度无线电通讯几乎完全失效，轮船、飞机导航系统离层暴使低纬度无线电通讯几乎完全失效，轮船、飞机导航系统失灵；高能粒子流的突然增加，致使日本同步气象卫星指令系统失灵；高能粒子流的突然增加，致使日本同步气象卫星指令系统一半失效或永久损坏，宇航员眼睛的视网膜受到高能粒子轰击而一半失效或永久损坏，宇航员眼睛的视网膜受到高能粒子轰击而闪光；地磁暴使加拿大魁北克省输电系统因强大的感应电流烧毁闪光；地磁暴使加拿大魁北克省输电系统因强大的感应电流烧毁了主变压器而引起电网损坏。了主变压器而引起电网损坏。600600万居民停电万居民停电9 9小时之久，损失功小时之久，损失功率近率近200200亿瓦，直

10、接经济损失达亿瓦，直接经济损失达5 5亿美元。亿美元。在这个太阳高峰期里，高能粒子造成我国在这个太阳高峰期里，高能粒子造成我国“风云二号风云二号B B”气象卫星气象卫星于于19901990年提前报废。年提前报废。太阳风暴历史重大灾难事件太阳风暴历史重大灾难事件3 3 20032003年年1010月底至月底至1 1月初的太阳爆发事件产生广泛的影响：月初的太阳爆发事件产生广泛的影响：瑞典的瑞典的SydkraftSydkraft电力集团报道，北欧上空强烈的地磁诱导电流电力集团报道，北欧上空强烈的地磁诱导电流 引起了变压器事故，导致一套系统崩溃及电力供应中断。引起了变压器事故，导致一套系统崩溃及电力供

11、应中断。其高强度辐射暴能级促使其高强度辐射暴能级促使NASANASA发出了令国际太空站的宇航员进入发出了令国际太空站的宇航员进入预防掩体的飞行指令。预防掩体的飞行指令。航空公司在其高纬度航线中采取了从没有过的飞行方式来避开高航空公司在其高纬度航线中采取了从没有过的飞行方式来避开高辐射能级和通信中断区域。航程变更给航空公司的每次飞行增加辐射能级和通信中断区域。航程变更给航空公司的每次飞行增加了了$10,000 $10,000 到到 $100,000$100,000的开支。的开支。该太阳风暴被怀疑是导致价值该太阳风暴被怀疑是导致价值$640,000,000 $640,000,000 的的ADEOS

12、-2ADEOS-2飞行器损飞行器损毁，该飞行器搭载了毁，该飞行器搭载了NASANASA的价值的价值$150,000,000 $150,000,000 的海洋风场监测的海洋风场监测设备。由于此次太阳爆发的高强度和变化性，绝大多数易受空间设备。由于此次太阳爆发的高强度和变化性，绝大多数易受空间天气攻击的工业部门在运行过程中都经受了某种程度的影响。天气攻击的工业部门在运行过程中都经受了某种程度的影响。 研究地球空间环境的意义研究地球空间环境的意义 科学的角度科学的角度 天然的实验室天然的实验室 等离子体物理等离子体物理, ,波动波动 应用的角度应用的角度 地球空间环境及其灾害性扰动对人地球空间环境及其灾害性扰动对人类的生存与活动的影响。类的生存与活动的影响。 Historic ionosondingu In 1930s, Prof. C. T. Gui（桂质廷桂质廷） brought an ionosonder from USA to WHU and initiated routine ion