空间环境科学(6)省名师优质课赛课获奖课件市赛课百校联赛优质课一等奖课件

近代物理概论山东轻工业学院主讲:刘玉波1/271空间环境科学一、空间环境科学概述

环境是指围绕着人类外部世界。是人类赖以生存和发展社会和物质条件综合体。可分为自然环境和社会环境。

研究环境目标是利用环境，空间环境也不例外，利用空间环境为人类造福也是研究主要目标。2/272

中性大气对航天活动影响：一是对航天器飞行轨道影响。二是中性大气中原子氧成份对航天器表面腐蚀作用。1.中性大气环境

二、空间环境要素

2.电离气体——等离子体环境

等离子体是由等量电子和正离子组成气体，它和固体、液体、中性气体并称为物质四态。等离子体是宇宙主要成份，占宇宙物质99%以上。3/273

高能带电粒子是指能量极高电子、质子、离子和原子核。3.高能带电粒子环境

起源于太阳高能带电粒子又称太阳宇宙线。

磁场能控制带电粒子运动，在空间环境过程中磁场起很主要作用。4.磁场环境

空间电磁辐射主要来自太阳，它有很宽能谱,从波长很长无线电波到能量很高γ辐射。5.电磁辐射环境4/274

空间天然固体微粒是流星体，空间碎片是人为遗弃在空间物体。6.固体微粒环境

三、空间环境分区

空太阳表面连续喷发出等离子体以每秒数百公里到一千多公里速度吹向地球，充满整个日地空间，被称为“太阳风”，它所携带太阳表面磁场形成了行星际磁场。1.太阳风和行星际磁场

当前空间环境科学研究空间范围主要是太阳和地球之间空间，普通称为日地空间。5/2756/276

地磁场分布近似为偶极子磁场，地球磁场不是平面磁场，它边界不是平面，而是形成一个被太阳风包围区域，称为“磁层”。在磁层内磁场被压缩，太阳风不能进入，在磁层外是太阳风，地磁场被屏蔽,它们之间界面为“磁层顶”。磁层形状大致如图6-3。2.地球磁场和磁层7/277整个大气层按照它物理性质可分为对流层、平流层、中间层、热层和外逸层；按大气成份可分为均质层、非均质层和外逸层。

对流层最靠近地面，它主要特征是大气对流强烈，在对流层内，高度越高，温度越低。3.地球大气8/278

平流层内大气比较平稳，温度随高度增加而增加，臭氧层是平流层内一个层次。

中间层里大气温度再次随高度增加而降低，它特点是光化反应十分强烈，发生各种发光现象。平流层和中间层以合称中层。

热层其温度又一次随高度快速增加，热层改变十分复杂，因为影响热层原因非常多；另外在热层顶温度又趋于稳定，不再随高度改变。

均质层是指从地面到大约80km高度范围内大气,大气成份基本相同，平均分子量不随高度改变。9/279非均质层成份随高度有显著改变，主要成份为氮分子、氧原子、氦、氢等，平均分子量随高度逐步降低。

外逸层大气最外层，这里大气已经十分稀薄,分子之间碰撞能够忽略，假如分子热运动速度足够大，它就有可能摆脱地球引力而飞向宇宙空间。另外，高层大气中一部分气体分子被电离，由这部分离子和电子组成了电离层。空间物理学研究另一部分是地外空间，包含地球磁场、太阳粒子辐射和太阳风和地磁场相互作用(磁层)。10/2710四、空间环境探测

1.空间环境探测伎俩

地基探测是将探测设备安放在地球表面对空间环境进行探测。(1)地基探测

特点：长久定点连续探测；随地球运动过程可对一定时间和空间范围进行探测；能够按需要组网；易维护、成本低；遥感方式受大气影响。

火箭探测是近地空间探测主要伎俩之一，它能把探测仪器带到一百至几千公里高空进行测量。(2)火箭探测11/2711

天基探测是指以卫星和其它轨道上航天器为载体，在空间进行现场测量，或者用遥感方法进行成像观察。(3)天基探测

特点：直接探测；受航天技术制约，费用昂贵，研制周期长；高空间分辨率；对太阳遥感成像不受大气干扰；大视野成像观察。2.中性大气探测

在数百公里高度处高层大气即使已经十分稀薄,不过对航天器轨道依然有阻尼作用，是航天器最终陨落主要原因。12/2712中性大气直接探测多采取电离真空规。它是一个经过对环境大气搜集取样并用电离真空规测量大气压力换算大气密度方法。高层中性大气成份探测主要采取质谱计方法。质谱计通惯用电子束离化大气中气体样品，再分析所产生离子并测定样品中包含各种成份浓度。3.中性大气探测

一个是电波法，即利用空间等离子体对经过它传输电波效应进行相关测量，给出空间等离子体相关参量探测空间等离子体方法。两种测量方法：13/2713

当前带电粒子探测主要是利用它和物质相互作用时发生电离、激发效应和切伦柯夫辐射。

依据所应用原理，电波法又能够划分为短波雷达类、信标类、散射雷达类等。

另一个是探针法，它从环境中得到电子或离子，因为电子质量远小于离子，且粒子能量相当低，故产生电流取决于探针所处环境及所加电位。它可用来测量等离子体电子密度、电子温度及离子参量。4.高能带电粒子探测14/2714

惯用磁场探测仪器有磁通门磁强计、探测线圈、质子旋进磁强计、光泵磁强计。5.空间磁场探测

它们基本上可由地面光学望远镜和雷达等常规性仪器探测、追踪并给予编目。6.空间碎片和微流星体探测五、空间环境模式研究

1.目标和意义

编制空间环境分布模式目标是用简单实用数学表示式描述空间环境平均分布状态。15/2715

空间环境分布模式是以实际探测数据为基础编制。2.方法

早期高层大气数据主要靠卫星轨道反演方法得到。3.高层大气模式

另一个模式是依据卫星和火箭携带质谱计进行直接测量和地面非相干散射雷达测量结果建立，称为MSIS模式。

MET模式是NASA马歇尔飞行中心工程用热层模式。16/2716

空国际参考电离层(IRI)是一个全球电离层经验模式。它是利用全球地面分布着几百个电离层观察站长久观察资料及卫星观察资料，由国际无线电科联和空间研究委员会(URSI/COSPAR)联合从20世纪60年代后期开始发展建立。4.电离层模式5.高能带电粒子模式单向积分通量定义为空间单位面积上、在单位时间内、来自某一方向单位立体角内、能量大于给定值粒子数目：粒子/厘米2·秒·单位立体角。(1)单位

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全向积分通量定义为空间单位面积上、在单位时间内、来自全部方向、能量大于给定值粒子数目：粒子/厘米2·秒。

单向微分通量与单向积分通量相仿，指在单位能量间隔内粒子数：粒子/厘米2·秒·单位立体角·单位能量(如keV)。

全向微分通量与全向积分通量相仿，指在单位能量间隔内粒子数：粒子/厘米2·秒·单位能量(如keV)。(2)银河宇宙线模式

(3)太阳宇宙线模式18/2718

地球辐射带主要成份是电子和质子，有少许氦核和更少许重元素离子。分为辐射带电子模型AE和辐射带质子模型AP，最新是质子模型AP8和电子模型AE8。6.地球辐射带模式19/2719

地球磁场按其起源可分为内源场和外源场。内源场是地磁场中起源于地球内部部分，它包含基本磁场和外源场改变时在地壳内感应产生磁场。基本磁场是地球固有磁场，起源于地核中电流体系，是地磁场主要部分，约占99%。基本磁场十分稳定。外源场起源于地球附近电流体系，包含电离层电流、环电流、场向电流、磁层顶电流及磁层内其它电流磁场。外源场因为各种原因而不停改变，主要有磁静日太阳日改变、太阴日改变，以及磁暴、亚暴、钩扰等地磁扰动。7.空间磁场模式

20/272021/2721

流星体在空间分布并不是均匀。一些流星体是独自运动，其轨道也是随机，称为偶现流星体。另有许多流星体密集在产生它们母体轨道附近，当地球穿过这些区域时，地球及围绕地球运行空间站和其它航天器就会碰到更多流星撞击，它们进入大气层后燃烧发光成为人们可看到“流星群”(流星雨)。流星群不规则空间分布，造成在地球附近流星通量随时间改变。8.流星体模式

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空间碎片模式包含空间碎片分布模式和空间碎片演化模式，分布模式将空间物体轨道根数和其它特征信息转换为空间分布，由此能够导出空间碎片通量、仪器探测率、碰撞概率等，帮助研究人员解释测量轨道碎片试验得到数据，以及帮助设计者确定碎片对航天器威胁，在航天工程上应用广泛，所以也叫做工程模式。空间碎片演化模式也称为未来分布模式，用于了解观察碎片数量未来增加。9.空间碎片模式23/2723

(1)单一空间环境参量及相关模式集成10.模式集成

(2)多空间环境参数综合模式集成六、空间环境预报

1.空间环境预报必要性

空间环境受太阳活动影响，其状态不停发生改变，有时甚至是非常猛烈改变。太阳活动现有长达以11年为周期改变，也有短至十几分钟暴发过程。这些改变造成航天器运行轨道、姿态和寿命受到严重影响。所以，提前预报空间环境扰动，尤其是预报灾害性空间环境扰动，方便采取对应防护办法和对策是非常主要和必要。24/27242.空间环境预报工作主要内容

空间环境预报工作包括面很宽，主要工作能够归纳为以下几个方面：(1)数据获取；(2)物理过程研究；(3)基本规律和相关关系研究；(4)预报模式研究；(5)预报实施。3.空间环境预报分类

空间环境预报通常可分为长久预报(以年为单位)、中期预报(以太阳自转周期[27天]为单位)、短期预报(1~3天)和警报(几十分钟到24小时内)等。25/2725七、空间环境效应1.空间环境效应研究方法

空间环境效应十分广泛，是空间环境科学中和用户关系最为亲密部分，比较主要有空间环境对航天器影响、