地球科学概论课件1-大气层介绍

地球科学概论

----空间科学部分

北京大学地球与空间科学学院

宗秋刚教授地球科学概论本课宗旨:概括地了解地球科学的主要内容,为深入学习打下基础,为选择专业提供参考主要内容:Part1：空间科学地球空间，日地空间物理,行星科学与空间探测

Part2：固体地球(地质,地球化学,地球物理)Part3：遥感与地理信息系统本课的安排本学期的《地球科学概论》课程的上课时间及地点安排如下：

教室：理教408，宗秋刚

;王彦宾

;张显峰

时间：周一/3～4节；周四/3～4节（双周）

宗老师上课时间：9月9日～10月14日（其中包括一节考试课）王老师上课时间：10月17日～11月14日（其中包括一节考试课）张老师上课时间：11月18日至期末，教务安排考试为12月30日上午地球空间与空间科学部分地球空间

高层大气，电离层，等离子体层，磁层日地空间（太阳）行星物理空间探测本课内容的侧重点各个区域的基本特征

重点必备的基础知识

基础怎样研究这些问题

方法当前关注的主要问题

一般Textbooks：太空探索焦维新傅绥燕编

空间天气学焦维新编

空间天气王劲松吕建永编

太阳风暴揭秘总装备部科普：TheExplorationoftheEarth'sMagnetosphereFromStargazerstoStarships课本与本课内容有关的网站Multimedia：包含太空的各类图片Missions：介绍过去、现在和将要发射的航天器

各类太空活动新闻、背景知识与教师联系方式电子信箱:办公室电话:62767422办公室地点:物理大楼北楼412助教：袁憧憬，物理大楼北楼441

手机：本课涉及的专业课程地球的中高层大气与电离层磁层物理太阳与太阳风物理太阳系行星科学我们或多或少知道的空间现象10地球偶极磁场超新星爆发与宇宙线银河系大小的星系中超新星爆发的概率约为50年一次hugeasteroidsmayhavebroughtgoldandotherpreciousmetalstoinfantEarth,newresearchsuggests.9.2012彗星与太阳风彗星馬王堆帛書的彗星臨摹圖

(29幅)

西漢古墓陨石与流星陨石流星小行星与小行星带有超过一万个小型星体（1km–1000km）位于火星与木星之间，这个带是小行星带，大部分流星来自于火星与木星之间小行星带。流星地球火星木星日全食与日冕酒泉.金塔,2008年8月天狗食日太阳黑子公元前140年前的《淮南子》中记载的：“日中有踆乌。”《汉书·五行志》出现的黑子记载：“河平元年，三月乙未，日出黄，有黑气大如钱，居日中央。”极光182600BC《河图稽命征》上说：“附宝（黄帝之母）见大电光绕北斗权星，照耀郊野，感而孕二十五月，而生黄帝轩辕于青邱。”19Dst=-287射线极光2020Dst=-287射线极光极光弧22幕状极光BlokkeninSortland,NorwayApr.3,2010

ZoltanKenwell,NorthofEdmonton,Alberta,Canada,Apr.1,2010弥散极光24LanceParrish,

Skiland,Alaska,20milesNEofFairbanksApr.5,2010

极光大爆发LanceParrish,

Skiland,Alaska,20milesNEofFairbanksApr.5,2010

极光在正上方极光发生的地点！从天上看极光30极光的色彩红色蓝绿深红地球的极光产生：

地球大气高层的气体分子或原子（N，O,

O2，N2)

受来自磁层电子撞击，会被激发到较高的能态或被电离，当离子重新俘获电子或激发态原子回到基态的时候，多余的能量便会以某些特定波长（不同色彩）的光波发射出来。3要素：大气，磁场和带电粒子极光发生的地点！frequencywithwhichauroraisseeninvariouspolarregions,producedin1860byEliasLoomis(1811-1889),professorofnaturalphilosophyatYale.AuroralFrequencyMapproducedin1881bytheGermanscientistHermannFritz(1830-1883).天王星海王星冥王星土星木星火星金星水星地球32NATURE|VOL432|4NOVEMBER2004强磁暴(Dst<-100nT)什么是磁暴?

磁暴是地球的磁场的水平分量在一到几个小时内急剧下降而在随后的几天内恢复。“AgeomagneticstormischaracterizedbyamainphaseduringwhichthehorizontalcomponentoftheEarth’slowlatitudemagneticfieldsaresignificantlydepressed

overatimespanofonetoafewhoursfollowedbyitsrecoverywhichmayextendoverseveraldays(Rostoker,1997)”.Noteothercurrents(e.g.magnetopausecurrentsalsocancontributetoDst).磁暴急始主相恢复相初相AnnualSunspotNumber:1930-2000

MajorMagneticStorms:1932-2000Ifirstpreparedthisslidein1977foranIAGAtalk.Ithasbeenupdatedannuallysincethenandnowcoversalmost7sunspotcyclesofsolarandgeomagneticactivity.Theyellowcurveshowsannualvaluesofthesmoothedsunspotnumber(see“SolarGeophysicalDataReports”,editorMs.HelenCoffey,orNOAA’sNGDC/STPwebsite).Theredcurveshowstheannualnumberofdayswhentheglobalmid-latitudegeomagneticactivityindexApwas40unitsorhigher.Largesolarflareshappenmoreoftenduringyearsnearoratsunspotmaximumwhenmoreactiveregionspopulatethesolarsurface.FlareeventsareoftenaccompaniedbyCoronalMassEjections(CME)ofenergeticparticlecloudsburstingoutintointerplanetaryspaceandcarryingalongtheheliomagneticfield.WhentheseintersectEarth’sorbit,theydistortthemagnetosphere(Earth’sprotectivegeomagneticenvelope),causeauroralzone“substorms”andglobalgeomagneticstorms,andproducesatelliteanomalies.TheireffectivenessismodulatedbytheorientationandintensityoftheInterplanetaryMagneticField(IMF)carriedoutfromtheSun.ManyCMEsarenotdirectedatEarth,andthosethatarriveinnear-Earthspacemaynotfindconditionsoptimumforcouplingintothemagnetosphere.Thetimeseriesofgeomagneticstormsismorecomplexthanthesunspotcycleduetoavarietyofdifferentcausesthatproducedifferenttypesandintensitiesofstorms.TheApindexisbasedonactivityduringeachUT-day,butsincetheSundoesnotrecognizetheGreenwichMeridian,theseindicestruncatethemaximumintensitymeasureofmanystorms.In1975,Idefinedasimplemodification,theAp*index.Itisbasedonthemaximum24-hourvalueattainedbytherunningaverageofthe3-hourlyapindices(independentoftheUTday).Ap*isusedinseveralofthefollowingslidestoconveytherelativeintensityofthegeomagneticdisturbancefordifferentevents.AfalloutfromconsiderationofdifferentAp*levelswastherealizationthatloweramplitude,slowonsetmulti-daystorms(40<Ap*<60)occurfrequentlyduringpeakyearsonthedecliningsideofthesunspotcycleandprovideabackgroundofenhancedradiationwithwhichthemoreimpulsiveCME-relatedstormscombinetoproducesomeverylargestorms.However,theserecurrentstormsareclearlyrelatedtotheyet-undefinedprocessesthatgeneratepersistentrelativisticelectronsatGEOandloweraltitudes.Thebottomlineisthatcyclesofsolaractivityandgeomagneticstormsvaryduetoamixofcausesandthesesameconditionscancausedifferenttypesofsatelliteanomalies.磁暴和太阳黑子的关系Borovsky,J.E.,andM.H.Denton(2006),DifferencesbetweenCME-drivenstormsandCIR-drivenstorms,J.Geophys.Res.,111,A07S08,doi:10.1029/2005JA011447.§1地球空间(Geospace）地球空间的定义地球的大气层中高层大气电离层等离子体层磁层什么是地球空间靠近行星地球的、受太阳辐射变化直接影响的空间区域。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.地球空间内的物质地球大气的一部分，从距地球表面约60公里，扩展到几十个地球半径地磁场地磁场产生：磁流体发电机地球空间构成中高层大气电离层等离子体层磁层电磁波频谱可见光图象红外图像空间科学概论

中高层大气与电离层

热层的加热源吸收太阳紫外辐射和X射线（最重要）带电粒子加热（高纬地区）电离层电流加热（高纬地区）磁层电离层大气密度日变率40公里以下：<6%；50~100公里：10~25%；100公里以上：随太阳活动和地磁活动而变化；在磁暴发生几个小时以后，密度可增加几倍甚至达10倍。太空中的夕阳西下。太阳在地球后面落下，照亮地球大气大气中性成份和带电粒子密度随高度变化电离层粒子密度随高度变化高层大气密度随太阳活动变化原因：太阳紫外辐射增强，且被高层大气吸收；变化幅度：340km：10倍500km：50倍太阳活动周变化导致高层大气温度和密度变化太阳活动周（11年）变化at700km:中性大气温度:2times中性成份密度:50times电子密度:10times研究20～100公里（临近空间）的大气的重要性亚轨道飞行器的飞行范围载人航天器气动加热严重的区域中程导弹飞行空间亚轨道旅游对地观测军事侦察臭氧层是指大气层的平流层中臭氧（O3）浓度相对较高的部分，其主要作用是吸收短波紫外线。大气层的臭氧主要以紫外线撞击双原子的氧气，把它分为两个原子，然后每个原子和没有分裂的氧气合并成臭氧（O3）。臭氧分子不稳定，紫外线照射之后又分为氧气分子和氧原子，形成一个臭氧-氧气循环过程。距地面15～50千米高度的大气平流层，集中了地球上约90％的臭氧，这一区域被称为臭氧层。臭氧层分布在离地20—50千米的高空，臭氧层中的臭氧主要是紫外线产生的。臭氧层南极臭氧洞联合国相关组织为防止臭氧层空洞进一步扩大，决定成立保护臭氧层工作组，并制定出保护臭氧层的议定书。1995年诺贝尔化学奖授于对臭氧层的浓度平衡机制研究卓有成效的3位大气化学家，克鲁岑、罗兰和莫里那。1985年，法曼发现南极臭氧层有严重损失，1995年初，美国太空总署发布了卫星遥感测量结果，证实了罗兰-莫里那理论，使人们认识到臭氧层对于生命、全球气候以及人类的未来至关重要。人造飞行器：轨道美国亚轨道战机：空天飞机

美国国防部准备在未来5年内部署太空战机（亚轨道飞行器）。这种飞行器将从美国本土发射，2小时内向世界任何地方投放常规武器。

美国超级X系列试验飞行器属于亚轨道飞行器，目前已经发展到X－50型特点：极超音速，亚轨道飞行X-15X-15先后创造了6.72马赫速度和108公里升限的世界记录。X-43A2004年11月16日，X-43A最高速度达到9.6马赫,远超过子弹速度

手枪子弹的初速一般在300-500米/秒，与音速（340米/秒）比较接近。运动枪和猎枪的初速一般是略低于音速。步枪的初速（700-1000米/秒）大于音速。正在穿越音障的战斗机。注意到机身周围激波面附近由于普朗特-格劳厄脱奇点（Prandtl-Glauertsingularity）效应产生的圆锥形云雾。音障（Soundbarrier），是一种物理現象。当物体（通常是航空器）的速度接近音速時，將会逐漸追上自己发出的声波。此时，由于机身对空气的压缩无法迅速传播，将逐渐在飞机的迎风面及其附近区域积累，最终形成空气中压强、温度、速度、密度等物理性质的一个突变面——激波（ShockWave）面。音障美军测试速度达20马赫的猎鹰飞行器“猎鹰”极超音速飞行器设计速度最高为24000公里/小时(音速的22倍)、飞行高度可达30-45公里。第一架“猎鹰”将于2007年9月份完成首次持续时间为1小时的试飞。航天器返回地面遇到的问题航天器进入大气层的速度为25马赫，在大气层中将产生严重的气动加热，机翼前缘的温度5分钟后就增加到1100

C。航天飞机返回过程的气动加热黑障区(Blackoutzone)，是导弹弹头和航天器返回舱等再入体返回大气层时，因再入体表面超高速摩擦形成高温等离子区导致无线电信号衰减至中断的飞行区段。其范围取决于载入体的外形、材料、载入速度，以及发射信号的频率和功率等。黑障现象给载人飞船再入返回时的实时通信、载入测量造成困难黑障中程和洲际导弹飞行空间中程导弹最高点：100公里左右洲际导弹飞行在几百公里高的外层空间它有精密的制导系统，飞行一万多公里，弹头命中目标一般误差不超过一公里，甚至只有几十米。如美国MX导弹精度达到90米。影响导弹命中精度的因素：大气密度和风亚轨道环境研究的内容亚轨道环境（密度、温度等）的特征及变化规律稀薄气体动力学激波加热亚轨道飞行器的影响高层大气对卫星的影响卫星轨道：卫星寿命：卫星返回时的加热、回落点；高层大气风切变影响航天器发射成功率。高层大气对

军事活动的影响导弹命中精度：密度值比设计值增大20％～40％，射程减小23.0～47.6km；

密度变化±5%，爆高误差1km；美国民兵核导弹（100万吨当量）摧毁地下发射井时，在0.4km之内破坏概率为80%，在1.6km之外破坏概率只有10%；DST=-548nT电离层与电磁波传播什么是电离层电离层的结构电离层扰动电磁波在电离层中的传播1、什么是电离层地球高层大气的一部分，因受太阳的紫外线、X射线和带电粒子辐射而电离。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。高度范围：60~1000km。EdwardV.Appleton1947NobelPrizeinPhysics1924Appletonbeganaseriesofexperimentswhichprovedtheexistenceofthatlayerintheupperatmospherenowcalledtheionosphere.电离层与大气层电离层逃逸层热层中层平流层对流层电离层密度随高度变化电离层的基本特性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。2、电离层的结构指电离层电子密度以及离子成分随高度的变化

分层结构不均匀结构电离层分层D层：60~90km。E层：90~160kmF层：160km以上whereN=electrondensitypercm3andfcriticalisinMHz.PlanetIonosphereDensityfluctuationaffectsradiowavereflectionandtransmissionD层主要电离源：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90~160km电子密度峰值出现在105~110km之间。主要电离源是太阳紫外线和软Ｘ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。

电离层不规则性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100~120km高度经常出现的不均匀结构(高电子密度区)，厚度约3~5km，水平尺度约几十至上百km。散见E层

的电子密度分布3、电离层扰动太阳电磁辐射和粒子辐射的增强引起的电离层状态变化。太阳耀斑发出的X射线暴使向阳面D区的电离密度急剧增加，短波和中波无线电信号立即衰落甚至完全中断。突发电离层骚扰突发电离层骚扰太阳耀斑→紫外和X射线突增→向阳面电离层电离增强→短波无线电通信衰减或中断电离层暴地磁场发生全球性变化时，电离层状态发生的急剧变化称为电离层暴；正常形态打乱，使得通信适用频率的选择困难。电离层的

日、夜变化4、电磁波在电离层中的传播低频波传播中频波传播高频波传播超高频波传播Ultrahighfrequency(UHF)designatesarangeofelectromagnetic

waveswithfrequenciesbetween300MHzand3GHz(3,000MHz).Alsoknownasthedecimetrebandordecimetrewaveasthewavelengthsrangefromonetotendecimetres(10

cmto1metre).RadiowaveswithfrequenciesabovetheUHFbandfallintotheSHF(Superhighfrequency)andEHF(Extremelyhighfrequency)bands,allofwhichfallintotheMicrowavefrequencyrange.LowerfrequencysignalsfallintotheVHF(Veryhighfrequency)orlowerbands.Seeelectromagneticspectrumforafulllistingoffrequencybands.无线电波传播的形式直接视距传播（地波）地球表面与电离层D层之间的多次反射传播（大气波导）在E层或F层反射传播（天波）穿过电离层（卫星通信）电磁波谱极低频（ELF)与甚低频(VLF)传播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。极低频波的特点超视距传播能穿入海水