第一講內(nèi)容概要+近地空間環(huán)境

1、Radio Wave Propagation無(wú)線電波傳播無(wú)線電波傳播 第一講第一講 內(nèi)容概要內(nèi)容概要電波傳播環(huán)境與近地空間電波傳播環(huán)境與近地空間參參 考考 教教 材材 劉選謀，無(wú)線電波傳播，高教出版社，劉選謀，無(wú)線電波傳播，高教出版社，19871987 呂保維，無(wú)線電波傳播理論及其應(yīng)用，科呂保維，無(wú)線電波傳播理論及其應(yīng)用，科學(xué)出版社，學(xué)出版社，20052005 焦培南，雷達(dá)環(huán)境與電波傳播特性，電子焦培南，雷達(dá)環(huán)境與電波傳播特性，電子工業(yè)出版社，工業(yè)出版社，20072007 J. A. Kong, J. A. Kong, 電磁波理論電磁波理論 電波傳播環(huán)境與近地空間電波傳播環(huán)境與近地空間 波動(dòng)現(xiàn)

2、象與波動(dòng)方程波動(dòng)現(xiàn)象與波動(dòng)方程 電磁波基礎(chǔ)理論電磁波基礎(chǔ)理論 多普勒頻移多普勒頻移 色散色散 介電常數(shù)介電常數(shù) 介質(zhì)類(lèi)型介質(zhì)類(lèi)型內(nèi)容概要內(nèi)容概要 近地區(qū)域中性介質(zhì)中的電波傳播近地區(qū)域中性介質(zhì)中的電波傳播 近地區(qū)域離化介質(zhì)中的電波傳播近地區(qū)域離化介質(zhì)中的電波傳播 電離層中的電波傳播電離層中的電波傳播 電波傳播的應(yīng)用電波傳播的應(yīng)用內(nèi)容概要內(nèi)容概要電磁波與無(wú)線電波電磁波與無(wú)線電波 自然界人為或自然產(chǎn)生的電磁波通過(guò)各種不同自然界人為或自然產(chǎn)生的電磁波通過(guò)各種不同媒質(zhì)傳播的過(guò)程，稱(chēng)為無(wú)線電波傳播。媒質(zhì)傳播的過(guò)程，稱(chēng)為無(wú)線電波傳播。 光波？光波？ 激光通信激光通信 無(wú)線電波使用的頻段一般分布在幾赫茲到幾百

3、無(wú)線電波使用的頻段一般分布在幾赫茲到幾百千兆赫茲，波長(zhǎng)從極長(zhǎng)波到毫米波段千兆赫茲，波長(zhǎng)從極長(zhǎng)波到毫米波段電磁波的頻譜電磁波的頻譜無(wú)線電波頻段無(wú)線電波頻段幾個(gè)重要人物：幾個(gè)重要人物：麥克斯韋麥克斯韋：18311831年年6 6月出生于英國(guó)愛(ài)丁堡。月出生于英國(guó)愛(ài)丁堡。 麥克斯韋是繼法拉第之后，集電磁學(xué)大成的麥克斯韋是繼法拉第之后，集電磁學(xué)大成的偉大科學(xué)家。他依據(jù)庫(kù)侖、高斯、歐姆、安培、偉大科學(xué)家。他依據(jù)庫(kù)侖、高斯、歐姆、安培、畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發(fā)現(xiàn)和實(shí)畢奧、薩伐爾、法拉第等前人的一系列發(fā)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)成果，驗(yàn)成果，18731873年建立了第一個(gè)完整的電磁理論體年建立了第一個(gè)完整的電磁理論

4、體系，系，不僅科學(xué)地不僅科學(xué)地預(yù)言了電磁波的存在，預(yù)言了電磁波的存在，而且而且揭示揭示了光、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)的統(tǒng)一性，完成了物理了光、電、磁現(xiàn)象的本質(zhì)的統(tǒng)一性，完成了物理學(xué)的又一次大綜合學(xué)的又一次大綜合。這一理論自然科學(xué)的成果，。這一理論自然科學(xué)的成果，奠定了現(xiàn)代的電力工業(yè)、電子工業(yè)和無(wú)線電工業(yè)奠定了現(xiàn)代的電力工業(yè)、電子工業(yè)和無(wú)線電工業(yè)的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。赫茲赫茲：德國(guó)物理學(xué)家，生于漢堡。德國(guó)物理學(xué)家，生于漢堡。 赫茲對(duì)人類(lèi)最偉大的貢獻(xiàn)是赫茲對(duì)人類(lèi)最偉大的貢獻(xiàn)是用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。存在。 18881888年年1 1月，赫茲將他的研究成果總結(jié)在月，赫茲將他的研究成果總結(jié)在論

5、動(dòng)電效論動(dòng)電效應(yīng)的傳播速度應(yīng)的傳播速度一文中。赫茲實(shí)驗(yàn)公布后，轟動(dòng)了全世一文中。赫茲實(shí)驗(yàn)公布后，轟動(dòng)了全世界的科學(xué)界。由法拉第開(kāi)創(chuàng)，麥克斯韋總結(jié)的電磁理論，界的科學(xué)界。由法拉第開(kāi)創(chuàng)，麥克斯韋總結(jié)的電磁理論，至此才取得決定性的勝利。至此才取得決定性的勝利。18881888年，成了近代科學(xué)史上的一座里程碑。赫茲的年，成了近代科學(xué)史上的一座里程碑。赫茲的發(fā)現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義，它不僅證實(shí)了麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)具有劃時(shí)代的意義，它不僅證實(shí)了麥克斯韋發(fā)現(xiàn)的真理，更重要的是開(kāi)創(chuàng)了無(wú)線電電子技術(shù)的新紀(jì)元。真理，更重要的是開(kāi)創(chuàng)了無(wú)線電電子技術(shù)的新紀(jì)元。赫茲對(duì)人類(lèi)文明作出了很大貢獻(xiàn)，正當(dāng)人們對(duì)他寄赫茲對(duì)人類(lèi)文明作出

6、了很大貢獻(xiàn)，正當(dāng)人們對(duì)他寄以更大期望時(shí)，他卻于以更大期望時(shí)，他卻于18941894年元旦因血中毒逝世，年僅年元旦因血中毒逝世，年僅3636歲。為了紀(jì)念他的功績(jī)，人們用他的名字歲。為了紀(jì)念他的功績(jī)，人們用他的名字“赫茲赫茲”來(lái)來(lái)命名各種波動(dòng)頻率的單位。命名各種波動(dòng)頻率的單位。 馬可尼馬可尼：人類(lèi)無(wú)線電通信的創(chuàng)始人人類(lèi)無(wú)線電通信的創(chuàng)始人意大利的意大利的馬可尼（馬可尼（Marconi,G.W., 1874Marconi,G.W., 187419371937）與俄國(guó)的）與俄國(guó)的波波夫（波波夫（oo,A.C. 1859oo,A.C. 185919061906）成功地進(jìn)成功地進(jìn)行了世界上最早的無(wú)線電通訊活

7、動(dòng)行了世界上最早的無(wú)線電通訊活動(dòng)，開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)，開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)通訊的新紀(jì)元。通訊的新紀(jì)元。 意大利意大利人馬可尼人馬可尼19011901年向新來(lái)臨的年向新來(lái)臨的2020世紀(jì)奉世紀(jì)奉獻(xiàn)上的珍貴禮品是一項(xiàng)科技創(chuàng)新與發(fā)明獻(xiàn)上的珍貴禮品是一項(xiàng)科技創(chuàng)新與發(fā)明成功成功地進(jìn)行了地進(jìn)行了首次無(wú)線電通訊首次無(wú)線電通訊，無(wú)線電技術(shù)的大發(fā)展，無(wú)線電技術(shù)的大發(fā)展從而成為從而成為2020世紀(jì)的熱門(mén)事情。世紀(jì)的熱門(mén)事情。19061906年，美國(guó)物理年，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)森登發(fā)明無(wú)線電廣播學(xué)家費(fèi)森登發(fā)明無(wú)線電廣播，使無(wú)線電波進(jìn)入千，使無(wú)線電波進(jìn)入千家萬(wàn)戶，預(yù)示著一個(gè)信息時(shí)代的肇始。家萬(wàn)戶，預(yù)示著一個(gè)信息時(shí)代的肇始。 無(wú)線電通訊是利用

8、電磁波的輻射和傳播、經(jīng)過(guò)空間傳送信息的通信方式。無(wú)線電通訊是利用電磁波的輻射和傳播、經(jīng)過(guò)空間傳送信息的通信方式。18311831年，英國(guó)法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)年，英國(guó)法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)。18651865年，英國(guó)麥克斯韋從理論上預(yù)言了年，英國(guó)麥克斯韋從理論上預(yù)言了電的任何波動(dòng)可以在遠(yuǎn)處產(chǎn)生感應(yīng)即電的任何波動(dòng)可以在遠(yuǎn)處產(chǎn)生感應(yīng)即電磁波的存在電磁波的存在、并且電磁波能夠從產(chǎn)生、并且電磁波能夠從產(chǎn)生的地方以光的速度輻射出去，但他本人未能親自作出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。的地方以光的速度輻射出去，但他本人未能親自作出實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。18871887年，德年，德國(guó)物理學(xué)家赫茲（國(guó)物理學(xué)家赫茲（Hertz,H.R., 1857Her

9、tz,H.R., 185718941894）利用靜電的火花放電實(shí)驗(yàn)，利用靜電的火花放電實(shí)驗(yàn)，證明了電磁波的存在證明了電磁波的存在，激起了人們利用電磁波的念頭，而赫茲卻英年早逝，激起了人們利用電磁波的念頭，而赫茲卻英年早逝，未能在電磁波的應(yīng)用技術(shù)方面開(kāi)展科研工作。敏感的發(fā)明家們已經(jīng)意識(shí)到電未能在電磁波的應(yīng)用技術(shù)方面開(kāi)展科研工作。敏感的發(fā)明家們已經(jīng)意識(shí)到電磁波可以用于無(wú)線電通訊。以意大利的馬可尼和俄國(guó)的波波夫?yàn)榇淼目茖W(xué)磁波可以用于無(wú)線電通訊。以意大利的馬可尼和俄國(guó)的波波夫?yàn)榇淼目茖W(xué)家、發(fā)明家，在前人已掌握的電磁學(xué)和電磁波知識(shí)的基礎(chǔ)上，大膽探索、奮家、發(fā)明家，在前人已掌握的電磁學(xué)和電磁波知識(shí)的基

10、礎(chǔ)上，大膽探索、奮勇實(shí)踐，開(kāi)啟了電磁波應(yīng)用的大門(mén)并開(kāi)創(chuàng)了無(wú)線電通信這門(mén)新技術(shù)。勇實(shí)踐，開(kāi)啟了電磁波應(yīng)用的大門(mén)并開(kāi)創(chuàng)了無(wú)線電通信這門(mén)新技術(shù)。 意大利人馬可尼意大利人馬可尼19011901年向新來(lái)臨的年向新來(lái)臨的2020世紀(jì)奉獻(xiàn)上的珍貴禮品是一項(xiàng)科技世紀(jì)奉獻(xiàn)上的珍貴禮品是一項(xiàng)科技創(chuàng)新與發(fā)明創(chuàng)新與發(fā)明成功地進(jìn)行了首次無(wú)線電通訊，成功地進(jìn)行了首次無(wú)線電通訊，無(wú)線電技術(shù)的大發(fā)展從而成無(wú)線電技術(shù)的大發(fā)展從而成為為2020世紀(jì)的熱門(mén)事情。世紀(jì)的熱門(mén)事情。19061906年，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)森登發(fā)明無(wú)線電廣播，使無(wú)年，美國(guó)物理學(xué)家費(fèi)森登發(fā)明無(wú)線電廣播，使無(wú)線電波進(jìn)入千家萬(wàn)戶，預(yù)示著一個(gè)信息時(shí)代的肇始。線電波進(jìn)入

11、千家萬(wàn)戶，預(yù)示著一個(gè)信息時(shí)代的肇始。電波傳播方式電波傳播方式地球高層大氣的垂直分層結(jié)構(gòu)地球高層大氣的垂直分層結(jié)構(gòu)地球空間環(huán)境概述地球空間環(huán)境概述 對(duì)流層：溫度以每公里大約對(duì)流層：溫度以每公里大約1010 的梯度隨高度遞降，的梯度隨高度遞降，直至直至10-12 km10-12 km，達(dá)到溫度極小值，對(duì)應(yīng)對(duì)流層頂。，達(dá)到溫度極小值，對(duì)應(yīng)對(duì)流層頂。 平流層：又稱(chēng)同溫層，事實(shí)上，平流層的溫度隨高平流層：又稱(chēng)同溫層，事實(shí)上，平流層的溫度隨高度上升而平緩增高，由于臭氧對(duì)太陽(yáng)紫外輻射的吸度上升而平緩增高，由于臭氧對(duì)太陽(yáng)紫外輻射的吸收，在約收，在約50 km50 km高度有一個(gè)溫度極大值，對(duì)應(yīng)平流層高度有一個(gè)

12、溫度極大值，對(duì)應(yīng)平流層頂。頂。 中層：溫度再次隨高度而遞降，至中層：溫度再次隨高度而遞降，至80-85 km80-85 km，又出，又出現(xiàn)一個(gè)溫度極小值，對(duì)應(yīng)中層頂。現(xiàn)一個(gè)溫度極小值，對(duì)應(yīng)中層頂。 熱層：中層之上，太陽(yáng)紫外輻射導(dǎo)致溫度梯度為正熱層：中層之上，太陽(yáng)紫外輻射導(dǎo)致溫度梯度為正值，稱(chēng)作熱層。隨高度上升，最終熱層溫度僅隨時(shí)值，稱(chēng)作熱層。隨高度上升，最終熱層溫度僅隨時(shí)間變化而基本上不隨高度變化，同時(shí)溫度很高，一間變化而基本上不隨高度變化，同時(shí)溫度很高，一般達(dá)到般達(dá)到10001000 K K以上，這是大氣層最熱的部分。以上，這是大氣層最熱的部分。中性大氣的垂直分層中性大氣的垂直分層地球空間環(huán)

13、境概述地球空間環(huán)境概述電離層和磁層電離層和磁層 地球電離層地球電離層指地球高層大氣中被部分電離的指地球高層大氣中被部分電離的區(qū)域，通常指地面以上區(qū)域，通常指地面以上60-100060-1000公里的高度公里的高度范圍。按照國(guó)際無(wú)線電工程師協(xié)會(huì)范圍。按照國(guó)際無(wú)線電工程師協(xié)會(huì)(IRE)(IRE)的的定義，電離層是地面定義，電離層是地面60km60km以上到磁層頂之間以上到磁層頂之間的整個(gè)空間，在那里的整個(gè)空間，在那里“存在著大量的自由電存在著大量的自由電子，足以影響無(wú)線電波的傳播子，足以影響無(wú)線電波的傳播”；而；而磁層磁層則則是是“地磁場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)有決定性影響的那部地磁場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)有決定性影響的那

14、部分電離層分電離層”。電離層與磁層沒(méi)有明確的分界，。電離層與磁層沒(méi)有明確的分界，通常把通常把10001000公里作為電離層上邊界。公里作為電離層上邊界。地球空間環(huán)境概述地球空間環(huán)境概述電離氣體和中性氣體密度的高度變化電離氣體和中性氣體密度的高度變化地球偶極磁場(chǎng)示意圖地球偶極磁場(chǎng)示意圖 地球空間環(huán)境概述地球空間環(huán)境概述地球空間環(huán)境概述地球空間環(huán)境概述地球空間被運(yùn)行在行星際空間中的地球空間被運(yùn)行在行星際空間中的“太陽(yáng)風(fēng)太陽(yáng)風(fēng)”包圍著。包圍著。地球磁層示意圖地球磁層示意圖磁層頂磁層頂磁鞘磁鞘弓激波弓激波磁層頂磁層頂被太陽(yáng)風(fēng)包圍著的地磁空腔被太陽(yáng)風(fēng)包圍著的地磁空腔地球空間環(huán)境概述地球空間環(huán)境概述一些標(biāo)

15、志性發(fā)現(xiàn)一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程和重要物理過(guò)程電離層的發(fā)現(xiàn)電離層的發(fā)現(xiàn) 自從自從1901年年Marconi成功進(jìn)行了跨越大西洋的無(wú)成功進(jìn)行了跨越大西洋的無(wú)線電傳輸試驗(yàn)，科學(xué)工作者就開(kāi)始解釋電波傳播線電傳輸試驗(yàn)，科學(xué)工作者就開(kāi)始解釋電波傳播的方式。的方式。 1902年，年，Kennely與與Heaviside獨(dú)立提出存在一獨(dú)立提出存在一個(gè)由自由電荷組成的、能反射電磁波的導(dǎo)電層。個(gè)由自由電荷組成的、能反射電磁波的導(dǎo)電層。對(duì)于這種導(dǎo)電層的理論，存在了近對(duì)于這種導(dǎo)電層的理論，存在了近20年的爭(zhēng)議。年的爭(zhēng)議。 1924年年Appleton和和Barnet利用無(wú)線電波實(shí)驗(yàn)，利用無(wú)線電波實(shí)驗(yàn)， 證明電離

16、層的存在，并確定了電離層的高度。證明電離層的存在，并確定了電離層的高度。1925年年Breit和和Tuve確認(rèn)了確認(rèn)了Appleton的實(shí)驗(yàn)，并的實(shí)驗(yàn)，并研制出最早的電離層無(wú)線電探測(cè)設(shè)備：垂測(cè)儀，研制出最早的電離層無(wú)線電探測(cè)設(shè)備：垂測(cè)儀，一直沿用至今。一直沿用至今。一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程 電離層的發(fā)現(xiàn)成為空間物理學(xué)發(fā)端的標(biāo)志。電離層的發(fā)現(xiàn)成為空間物理學(xué)發(fā)端的標(biāo)志。 在電離層的發(fā)現(xiàn)和無(wú)線電波傳播理論的在電離層的發(fā)現(xiàn)和無(wú)線電波傳播理論的 發(fā)展中，發(fā)展中，Appleton的貢獻(xiàn)最為突出。的貢獻(xiàn)最為突出。 因?yàn)樗囊驗(yàn)樗摹皩?duì)于外層大氣物理現(xiàn)象的探索，對(duì)于外層大氣物理

17、現(xiàn)象的探索，特別是阿普爾頓層的發(fā)現(xiàn)特別是阿普爾頓層的發(fā)現(xiàn)”，Appleton于于1947年榮獲年榮獲 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 空間物理學(xué)研究領(lǐng)域的唯一諾貝爾獎(jiǎng)獲得者空間物理學(xué)研究領(lǐng)域的唯一諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程電離層的發(fā)現(xiàn)電離層的發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)的發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)的發(fā)現(xiàn) 大約大約100年前，人們發(fā)現(xiàn)在太陽(yáng)出現(xiàn)大耀斑之后年前，人們發(fā)現(xiàn)在太陽(yáng)出現(xiàn)大耀斑之后1-2天，地磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生顯著變化，從而認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)有動(dòng)天，地磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生顯著變化，從而認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)有動(dòng)力學(xué)輸出的第一個(gè)證據(jù)。這力學(xué)輸出的第一個(gè)證據(jù)。這1-2天的滯后時(shí)間表明在天的滯后時(shí)間表明在日地之間的運(yùn)行速度

18、約為日地之間的運(yùn)行速度約為1000km/s，這使人們想到，這使人們想到這種輸出可能是太陽(yáng)的粒子發(fā)射。這種輸出可能是太陽(yáng)的粒子發(fā)射。 1930-31年，年，Chapman和和Ferraro提出從太陽(yáng)提出從太陽(yáng)偶爾偶爾 發(fā)射出的粒子流會(huì)壓縮地磁場(chǎng)，地磁場(chǎng)在太陽(yáng)風(fēng)中發(fā)射出的粒子流會(huì)壓縮地磁場(chǎng)，地磁場(chǎng)在太陽(yáng)風(fēng)中形成一個(gè)地磁空腔，后來(lái)叫做形成一個(gè)地磁空腔，后來(lái)叫做“磁層磁層”。 1958年年P(guān)arker理論上證明太陽(yáng)大氣是理論上證明太陽(yáng)大氣是連續(xù)不斷連續(xù)不斷地向地向外膨脹的。外膨脹的。1959年年“月球月球1號(hào)號(hào)”衛(wèi)星首次測(cè)到太陽(yáng)風(fēng)，衛(wèi)星首次測(cè)到太陽(yáng)風(fēng)，1961年年“探索者探索者10號(hào)號(hào)”也觀測(cè)到太陽(yáng)風(fēng)

19、。也觀測(cè)到太陽(yáng)風(fēng)。一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程磁層的一系列重要發(fā)現(xiàn)磁層的一系列重要發(fā)現(xiàn) 19571957年年1010月月4 4號(hào)，前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星號(hào)，前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星Sputnik-ISputnik-I。19581958年初美國(guó)發(fā)射了年初美國(guó)發(fā)射了“探索者探索者1 1號(hào)號(hào)”衛(wèi)星，之后一大批人造衛(wèi)星發(fā)射升空。衛(wèi)星，之后一大批人造衛(wèi)星發(fā)射升空。 19581958年年“探索者探索者1 1號(hào)號(hào)”發(fā)現(xiàn)地磁赤道上空有一個(gè)發(fā)現(xiàn)地磁赤道上空有一個(gè)高能質(zhì)子密集帶，也就是內(nèi)輻射帶（高能質(zhì)子密集帶，也就是內(nèi)輻射帶（Van Allen Van Allen BeltBelt）

20、，同年），同年“先鋒先鋒3 3號(hào)號(hào)”發(fā)現(xiàn)外輻射帶。發(fā)現(xiàn)外輻射帶。19591959年年LUNIK-2LUNIK-2衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)等離子體層，衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)等離子體層，19681968年年OGO-1OGO-1和和OGO-3OGO-3衛(wèi)星觀測(cè)到磁層等離子體片。衛(wèi)星觀測(cè)到磁層等離子體片。 19621962年年“探索者探索者1212號(hào)號(hào)”觀測(cè)到磁層頂，觀測(cè)到磁層頂，19631963年年IMP-1IMP-1衛(wèi)星做出第一幅磁尾結(jié)構(gòu)圖，衛(wèi)星做出第一幅磁尾結(jié)構(gòu)圖，19831983年年ISEE-ISEE-3 3衛(wèi)星探測(cè)到遠(yuǎn)磁尾。衛(wèi)星探測(cè)到遠(yuǎn)磁尾。一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程磁層結(jié)構(gòu)示意圖磁層結(jié)構(gòu)示

21、意圖一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程日地能量傳輸日地能量傳輸 19611961年年DungeyDungey首次提出磁層頂?shù)氖状翁岢龃艑禹數(shù)拇艌?chǎng)磁場(chǎng)重聯(lián)重聯(lián)理論，認(rèn)為地磁場(chǎng)和起源于太陽(yáng)理論，認(rèn)為地磁場(chǎng)和起源于太陽(yáng)的行星際磁場(chǎng)在特定條件下可以互相的行星際磁場(chǎng)在特定條件下可以互相聯(lián)通，形成開(kāi)放磁力線，太陽(yáng)風(fēng)通過(guò)聯(lián)通，形成開(kāi)放磁力線，太陽(yáng)風(fēng)通過(guò)開(kāi)放磁力線向地球空間傳輸物質(zhì)和能開(kāi)放磁力線向地球空間傳輸物質(zhì)和能量，這對(duì)于理解量，這對(duì)于理解日地能量傳輸過(guò)程日地能量傳輸過(guò)程 至關(guān)重要。至關(guān)重要。 1978-19791978-1979年，年，ISEEISEE系列衛(wèi)星證實(shí)了向系列衛(wèi)星證實(shí)了

22、向陽(yáng)面磁層頂?shù)姆€(wěn)態(tài)重聯(lián)過(guò)程，并發(fā)現(xiàn)陽(yáng)面磁層頂?shù)姆€(wěn)態(tài)重聯(lián)過(guò)程，并發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)重聯(lián)產(chǎn)生的通量傳輸事件。瞬時(shí)重聯(lián)產(chǎn)生的通量傳輸事件。一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程地球磁層中的對(duì)流地球磁層中的對(duì)流一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程能量?jī)?chǔ)存和耗散能量?jī)?chǔ)存和耗散 太陽(yáng)風(fēng)與磁層相互作用過(guò)程中，太陽(yáng)風(fēng)的動(dòng)能太陽(yáng)風(fēng)與磁層相互作用過(guò)程中，太陽(yáng)風(fēng)的動(dòng)能不斷向磁層輸運(yùn)，并以磁能形式儲(chǔ)存在磁尾。不斷向磁層輸運(yùn)，并以磁能形式儲(chǔ)存在磁尾。 在背陽(yáng)面，磁力線被拉伸成尾狀，處于不穩(wěn)定在背陽(yáng)面，磁力線被拉伸成尾狀，處于不穩(wěn)定位型，在一定條件下，這些輸入的能量會(huì)突然位型，在一定條件下，這

23、些輸入的能量會(huì)突然釋放，以激烈的方式耗散，極光帶電離層、磁釋放，以激烈的方式耗散，極光帶電離層、磁層和等離子體層以及磁尾整體受擾，表現(xiàn)出光、層和等離子體層以及磁尾整體受擾，表現(xiàn)出光、電磁、等離子體等多方面現(xiàn)象。電磁、等離子體等多方面現(xiàn)象。亞暴亞暴就是這種就是這種磁層能量釋放的過(guò)程，是磁尾的一種激烈而頻磁層能量釋放的過(guò)程，是磁尾的一種激烈而頻繁的運(yùn)動(dòng)形式。繁的運(yùn)動(dòng)形式。一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程極極 光光 磁尾的高能粒子（主要是電子）沉降到磁尾的高能粒子（主要是電子）沉降到極區(qū)電離層高度，撞擊中性大氣，使其極區(qū)電離層高度，撞擊中性大氣，使其產(chǎn)生受激輻射而發(fā)光。極光一

24、般發(fā)生在產(chǎn)生受激輻射而發(fā)光。極光一般發(fā)生在極區(qū)極區(qū)100-400100-400公里高度，經(jīng)常出現(xiàn)產(chǎn)生公里高度，經(jīng)常出現(xiàn)產(chǎn)生極光的區(qū)域形成一個(gè)環(huán)狀的帶，稱(chēng)為極極光的區(qū)域形成一個(gè)環(huán)狀的帶，稱(chēng)為極光橢圓帶，大約在地磁緯度光橢圓帶，大約在地磁緯度67-7767-77度，度，但在強(qiáng)磁暴時(shí)也可能在低緯看到。但在強(qiáng)磁暴時(shí)也可能在低緯看到。一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物

25、理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程aurora.mov一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程磁磁 暴暴 磁暴磁暴是全球性強(qiáng)烈的地磁擾動(dòng)，持續(xù)時(shí)間十是全球性強(qiáng)烈的地磁擾動(dòng)，持續(xù)時(shí)間十幾到幾十個(gè)小時(shí)。磁暴起因于劇烈的太陽(yáng)活幾到幾十個(gè)小時(shí)。磁暴起因于劇烈的太陽(yáng)活動(dòng)，包括太陽(yáng)耀斑爆發(fā)和日冕質(zhì)量拋射等動(dòng)，包括太陽(yáng)耀斑爆發(fā)和日冕質(zhì)量拋射等。

26、 隨著磁暴的發(fā)生，全球熱層風(fēng)場(chǎng)和熱層中性隨著磁暴的發(fā)生，全球熱層風(fēng)場(chǎng)和熱層中性大氣成分發(fā)生劇烈的變化，形成大氣成分發(fā)生劇烈的變化，形成熱層暴熱層暴。 同時(shí)也引起全球電離層各種電離參量的劇烈同時(shí)也引起全球電離層各種電離參量的劇烈變化，形成變化，形成電離層暴電離層暴。一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程一些標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)和重要物理過(guò)程地球空間環(huán)境與人類(lèi)生活地球空間環(huán)境與人類(lèi)生活地球空間環(huán)境與人類(lèi)生活地球空間環(huán)境與人類(lèi)生活地球空間環(huán)境與人類(lèi)生活地球空間環(huán)境與人類(lèi)生活劇烈太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球空間環(huán)境可能造成的影響劇烈太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球空間環(huán)境可能造成的影響耀斑的電磁輻射（比如耀斑的電磁輻射（比如X X射線）射線）9 9分鐘

27、就可以到達(dá)地分鐘就可以到達(dá)地球球, ,并引起整個(gè)向陽(yáng)面的短波中斷。并引起整個(gè)向陽(yáng)面的短波中斷。1-21-2小時(shí)之后，小時(shí)之后，高能粒子到達(dá)地球，對(duì)太空中的宇航員帶來(lái)致命傷高能粒子到達(dá)地球，對(duì)太空中的宇航員帶來(lái)致命傷害，一些敏感的衛(wèi)星也會(huì)造成毀滅性破壞。害，一些敏感的衛(wèi)星也會(huì)造成毀滅性破壞。一次日冕物質(zhì)拋射可以攜帶一次日冕物質(zhì)拋射可以攜帶1010億噸的物質(zhì)并加速到億噸的物質(zhì)并加速到數(shù)百萬(wàn)公里數(shù)百萬(wàn)公里/ /小時(shí)小時(shí), ,其其2 2小時(shí)內(nèi)的能量可以提供美國(guó)小時(shí)內(nèi)的能量可以提供美國(guó)1010萬(wàn)年的電力。萬(wàn)年的電力。地球空間環(huán)境與人類(lèi)生活地球空間環(huán)境與人類(lèi)生活太陽(yáng)風(fēng)暴歷史重大災(zāi)難事件太陽(yáng)風(fēng)暴歷史重大災(zāi)難

28、事件1 1 1859年9月1日早晨，英國(guó)天文學(xué)家理查德卡林頓用裝著過(guò)濾器的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽(yáng)表面時(shí)，他發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)表面噴射出了一道明亮的閃光。然而卡林頓不知道的是，那團(tuán)明亮的斑點(diǎn)是一團(tuán)帶著電荷的等離子云，它正朝著地球的方向疾速飛來(lái)。48小時(shí)后，“超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴”就襲擊了地球，導(dǎo)致熱帶地區(qū)的夜空都能看到極光，這些極光是如此明亮，以至于人們?cè)谖缫箷r(shí)分不用點(diǎn)燈都能閱讀報(bào)紙?！俺?jí)太陽(yáng)風(fēng)暴”導(dǎo)致當(dāng)時(shí)的許多電報(bào)機(jī)都癱瘓。此次太陽(yáng)風(fēng)暴是有記錄以來(lái)強(qiáng)度最大的一次，不過(guò)在1859年，世界主要還依靠蒸汽機(jī)和肌肉勞力在運(yùn)轉(zhuǎn)，所以當(dāng)年的“超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴”并沒(méi)有給人類(lèi)帶來(lái)過(guò)于嚴(yán)重的災(zāi)難。 地球空間環(huán)境與人類(lèi)生活地球空間環(huán)境與人類(lèi)

29、生活太陽(yáng)風(fēng)暴歷史重大災(zāi)難事件太陽(yáng)風(fēng)暴歷史重大災(zāi)難事件2 2 19891989年年3 3月發(fā)生了近代科學(xué)史上罕有的災(zāi)害性空間天氣事月發(fā)生了近代科學(xué)史上罕有的災(zāi)害性空間天氣事件。在此期間，大量飛行物軌道改變，造成跟蹤辨認(rèn)困難；件。在此期間，大量飛行物軌道改變，造成跟蹤辨認(rèn)困難；對(duì)地靜止通信衛(wèi)星為維持其正常姿態(tài)，兩天內(nèi)所耗的燃料對(duì)地靜止通信衛(wèi)星為維持其正常姿態(tài)，兩天內(nèi)所耗的燃料相當(dāng)于正常運(yùn)行一年的用量；電離層暴使低緯度無(wú)線電通相當(dāng)于正常運(yùn)行一年的用量；電離層暴使低緯度無(wú)線電通訊幾乎完全失效，輪船、飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)失靈；高能粒子流訊幾乎完全失效，輪船、飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)失靈；高能粒子流的突然增加，致使日本同步氣象衛(wèi)星指令系統(tǒng)一半失效或的突然增加，致使日本同步氣象衛(wèi)星指令系統(tǒng)一半失效或永久損壞，宇航員眼睛的視網(wǎng)膜受到高能粒子轟擊而閃光；永久損壞，宇航員眼睛的視網(wǎng)膜受到高能粒子轟擊而