《空间物理学》课程教学大纲

1、空间物理学Space Physics一、课程基本情况课程类别：专业任选课课程学分： 2学分课程总学时：32学时，其中讲课：32 学时，实验（含上机）：0 学时，课外0 学时课程性质：选修开课学期：第5学期先修课程：高等数学，力学，电磁学适用专业：物理学，应用物理学教 材：自编讲义开课单位：物理与光电工程学院 物理系二、课程性质、教学目标和任务 近年来，人类的航天、通信、导航、能源输送等高科技活动越來越依赖于地球大气层之外的空间状态。本课程作为我校物理学类专业的特色选修课程之一，以日球层内地球对流层以上的空间物质的状态、性质以及运动变化规律为主线，重点介绍空间等离子体活动的基本现象，包括太阳活动

2、、太阳风在行星际空间的传播，太阳风与地球磁层的相互作用、磁层与电离层的耦合等。通过学习，学生能理解日球层等离子体和磁场的基本结构，了解无处不在、形式各异的空间激波；了解到不同高度空间环境的监测技术及。空间物理作为一个研究领域，其开拓性和国际合作性比较强，在本科程的学习过程中，学生可以了解空间物理学发展激荡人心的历史，增强探索未知的兴趣和科学精神。三、教学内容和要求第1章 空间物理学简史（4学时）1.1 空间观测历史（2学时）（1）了解极光观测和早期地磁场测量； （2）理解空间物理成为一门科学的要素； 重点：朴素的空间观点和科学的空间物理发展过程；难点：空间物理科学观的要素。1.2 空间探测历史

3、（2学时）（1）了解电离层，磁层和太阳风的基本图像； （2）理解行星际物质存在的基本形式； （3）掌握日求层各空间区域划分规则。重点：行星际物质的等离子体状态的基本参数；难点：宇宙中等离子体状态的分区。第2章 空间等离子体物理基础（6学时）2.1等离子体的单粒子运动和集体行为（2学时）（1）了解无碰撞等离子体中带电粒子运动的基本特征，及不同层次的描述方式； （2）理解单粒子动力学方程和粒子集体行为的物理图像；（3）掌握电磁场中，单粒子牛顿运动方程；等离子体温度的计算及其统计意义。重点：单粒子轨道；难点：等离子体集体行为。2.2 磁流体力学（MHD）基本方程及其应用（4学时）了解流体中质量、能量

4、和动量守恒律；（2）理解等离子体作为流体的基本条件；MHD中守恒律和Maxwell方程组的基本意义； （3）掌握MHD方程组的基本公式。重点：MDH中的守恒律；难点：MHD方程组及其意义。第3章 太阳活动和太阳风（6学时）3.1 太阳活动的基本概念（3学时）了解太阳结构，太阳活动的形式，包括太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射；理解不同太阳活动的观测特征； （3）掌握太阳活动的主要周期性变化规律；重点：太阳活动的分类和影响。难点：太阳活动的周期性特征。3.2 太阳风的物理特征（3学时）（1）了解太阳风的起源和成份； （2）理解太阳风的空间结构特征，包括大尺度结构和小尺度波动； （3）掌握Parker螺

5、旋线方程的推导及其物理图像；重点：太阳风的成份和结构；难点：Parker螺旋线方程。第4章 宇宙射线（4学时）4.1宇宙线的概念和分类（2学时）了解宇宙线起源和分类：太阳宇宙线，银河宇宙线和异常宇宙线掌握地球附近宇宙线通量随太阳活动变化的规律。重点：宇宙线分类和起源；难点：宇宙线随太阳活动的变化规律。4.2 宇宙线对人类活动的影响（2学时） （1）了解宇宙射线对航天器、人类健康、大气环境和气候的影响； （2）理解大气中宇宙线通量的观测方法；重点：宇宙线的直接和间接效应；难点：宇宙线的观测方法。第5章 磁层与电离层（10学时）5.1 磁层的起源与形态（2学时）（1）了解类地行星的磁层形成原因；

6、（2）理解太阳风与行星磁层相互作用的基本等离子体过程； （3）掌握地球磁层的形态特征。重点：磁层的起源；难点：磁层等离子体和磁场的空间分布和运动特征。5.2 磁暴和亚暴（2学时）（1）了解磁暴和亚暴的现象； （2）理解磁暴、亚暴产生的物理过程； （3）掌握以Dst指数为标准的磁暴分类法。重点：Dst指数为标准的磁暴分类法；难点：磁暴、亚暴产生的物理过程。5.3 辐射带（2学时）（1）了解辐射带的探测历史，人工辐射带的构建； （2）理解辐射带的形成机制，及带内粒子的运动规律； （3）掌握辐射带的基本特征。重点：辐射带的探测方法，带内粒子运动规律；难点：辐射带的形成机制。5.4 电离层（4学时）（

7、1）了解电离层的观测，磁层-电离层耦合机制。（2）理解电离层的形成机制和特征参量； （3）掌握电离层变化的周期性（日、季、年）及其扰动机制（行扰、突扰、闪烁）；重点：电离层形成机制和变化规律；难点：电离层变化及其对通信的影响，磁层电离层耦合机制。第6章 再回日球层（2学时）6.1日球层边界（1学时）（1）了解日球层的最新探测结果与预测； （2）理解日球层顶的基本概念；重点：日球层的最新探测现状；难点：日球层边界的探测现象和推论。6.2 日球层星体概况和等离子体环境（1学时）（1）了解太阳和行星探测的最新动态； （2）掌握日球层内星体特征和空间环境特点。重点：火星探测与移民；难点：日球层辐射环境。四、课程考核（1）作业等：作业6次，课程论文2篇；（2）考核方式：论文+作业（3）总评成绩计算方式：（平时作业成绩30%、2篇论文各50%）五、参考书目1. Margaret G. Kivelson Christopher T. Russell, Introduction to space physics, Cambr