地球空間環(huán)境緒論2014

1、地球空間環(huán)境地球空間環(huán)境課程內(nèi)容大綱課程內(nèi)容大綱一、地球空間環(huán)境概況一、地球空間環(huán)境概況二、高層大氣結(jié)構(gòu)與大氣環(huán)流二、高層大氣結(jié)構(gòu)與大氣環(huán)流三、地球空間磁場(chǎng)和空間電場(chǎng)三、地球空間磁場(chǎng)和空間電場(chǎng)四、中低緯電離層現(xiàn)象四、中低緯電離層現(xiàn)象五、高緯電離層現(xiàn)象五、高緯電離層現(xiàn)象六、太陽風(fēng)與磁層六、太陽風(fēng)與磁層主要參考書主要參考書地球空間環(huán)境概述地球空間環(huán)境概述太陽風(fēng)壓縮地球磁場(chǎng)示意圖太陽風(fēng)壓縮地球磁場(chǎng)示意圖地球偶極磁場(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)境概述太陽風(fēng)示意圖太陽風(fēng)示意圖地球空間環(huán)境概述地球空間環(huán)境概述被太陽風(fēng)包圍著的地磁空腔被太陽風(fēng)包圍著的地磁空腔地球空間環(huán)境概述地球空間環(huán)

2、境概述地球大氣的垂直分層地球大氣的垂直分層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)地球磁層示意圖地球磁層示意圖磁層頂磁層頂磁鞘磁鞘弓激弓激波波磁層磁層頂頂?shù)厍蚩臻g環(huán)境概述地球空間環(huán)境概述磁層結(jié)構(gòu)-子午面磁層結(jié)構(gòu)-子午面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)重聯(lián)磁場(chǎng)重聯(lián)理論，認(rèn)為地磁場(chǎng)和起源于太陽的行星際理論，認(rèn)為地磁場(chǎng)和起源于太陽的行星際磁場(chǎng)在特定磁場(chǎng)在特定 條件下可以互相聯(lián)通，形成條件下可以互相聯(lián)通，形成 開放磁力線，太陽風(fēng)通過開放磁力線向開放磁力線，太陽風(fēng)通過開放磁力線向 地球空間傳輸物質(zhì)和能量，地球空間傳輸物

3、質(zhì)和能量， 這對(duì)于理解這對(duì)于理解 日地能量傳輸過程日地能量傳輸過程至關(guān)重要。至關(guān)重要。 1978-19791978-1979年，年，ISEEISEE系列衛(wèi)星證實(shí)了向陽面系列衛(wèi)星證實(shí)了向陽面 磁層頂?shù)姆€(wěn)態(tài)重聯(lián)過程，并發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)重聯(lián)磁層頂?shù)姆€(wěn)態(tài)重聯(lián)過程，并發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)重聯(lián)產(chǎn)生的通量傳輸事件。產(chǎn)生的通量傳輸事件。磁場(chǎng)重聯(lián)數(shù)值模擬磁場(chǎng)重聯(lián)數(shù)值模擬磁場(chǎng)重聯(lián)示意圖磁場(chǎng)重聯(lián)示意圖能量?jī)?chǔ)存和耗散能量?jī)?chǔ)存和耗散 太陽風(fēng)與磁層相互作用過程中，太陽風(fēng)的動(dòng)能太陽風(fēng)與磁層相互作用過程中，太陽風(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。 在背陽面，磁力線被拉伸成尾狀，處于不穩(wěn)定在背陽

4、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程，是磁尾的一種激烈而頻磁層能量釋放的過程，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。極極 光光高能電子沉降到極區(qū)電離層高度，撞擊中性大高能電子沉降到極區(qū)電離層高度，撞擊中性大氣（主要是氧和氮?dú)猓ㄖ饕茄鹾偷? )，使其

5、受激輻射進(jìn)而發(fā)，使其受激輻射進(jìn)而發(fā)光，與熒光燈的原理相似。極光一般發(fā)生在光，與熒光燈的原理相似。極光一般發(fā)生在極區(qū)極區(qū)100-400100-400公里高度，但在強(qiáng)磁暴時(shí)也可公里高度，但在強(qiáng)磁暴時(shí)也可能在低緯看到。能在低緯看到。耀斑的電磁輻射（比如X射線）9分鐘就可以到達(dá)地球,并引起整個(gè)向陽面的短波中斷。1-2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致命傷害，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10億噸的物質(zhì)并加速到數(shù)百萬公里/小時(shí),其2小時(shí)內(nèi)的能量可以提供美國10萬年的電力。Observations of coronal mass ejections (CMEs)

6、 Large Angle Spectrometric Coronagraph (LASCO) Solar and Heliospheric Observatory (SOHO)日食期間顯現(xiàn)的日冕日食期間顯現(xiàn)的日冕太陽耀斑太陽耀斑活躍的太陽表面活躍的太陽表面太陽風(fēng)暴歷史重大災(zāi)難事件太陽風(fēng)暴歷史重大災(zāi)難事件1 1 18591859年年9 9月月1 1日早晨，英國天文學(xué)家理查德日早晨，英國天文學(xué)家理查德卡林頓用裝著卡林頓用裝著過濾器的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽表面時(shí)，他發(fā)現(xiàn)太陽表面噴射出過濾器的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽表面時(shí)，他發(fā)現(xiàn)太陽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)明亮的了一道明亮的閃光。然而卡林

7、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。速飛來。4848小時(shí)后，小時(shí)后，“超級(jí)太陽風(fēng)暴超級(jí)太陽風(fēng)暴”就襲擊了地球，導(dǎo)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，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。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)太超級(jí)太陽風(fēng)暴陽風(fēng)暴”導(dǎo)致當(dāng)時(shí)的許多電報(bào)機(jī)都癱瘓。此次太陽風(fēng)暴是導(dǎo)致當(dāng)時(shí)的許多電報(bào)機(jī)都癱瘓。此次太陽風(fēng)暴是有記錄以來強(qiáng)度最大的一次有記錄以來強(qiáng)度最大的一次，不過在，不過在18591859

8、年，世界主要還年，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)太陽風(fēng)超級(jí)太陽風(fēng)暴暴”并沒有給人類帶來過于嚴(yán)重的災(zāi)難。并沒有給人類帶來過于嚴(yán)重的災(zāi)難。 太陽風(fēng)暴歷史重大災(zāi)難事件太陽風(fēng)暴歷史重大災(zāi)難事件2 219891989年年3 3月發(fā)生了近代科學(xué)史上罕有的超級(jí)磁暴。在此期間，大量月發(fā)生了近代科學(xué)史上罕有的超級(jí)磁暴。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)所耗的燃料相當(dāng)于正常運(yùn)行一年的用量；電其正常姿態(tài)，兩天內(nèi)所耗的燃料相當(dāng)于正常運(yùn)行一年的用量；

9、電離層暴使低緯度無線電通訊幾乎完全失效，輪船、飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)離層暴使低緯度無線電通訊幾乎完全失效，輪船、飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)失靈；高能粒子流的突然增加，致使日本同步氣象衛(wèi)星指令系統(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)一半失效或永久損壞，宇航員眼睛的視網(wǎng)膜受到高能粒子轟擊而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；地磁暴使加拿大魁北克省輸電系統(tǒng)因強(qiáng)大的感應(yīng)電流燒毀閃光；地磁暴使加拿大魁北克省輸電系統(tǒng)因強(qiáng)大的感應(yīng)電流燒毀了主變壓器而引起電網(wǎng)損壞。了主變壓器而引起電網(wǎng)損壞。600600萬居民停電萬居民停電9 9小時(shí)之久，損失功小時(shí)之久，損失功率近率近200200億瓦，直

10、接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)億瓦，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)5 5億美元。億美元。在這個(gè)太陽高峰期里，高能粒子造成我國在這個(gè)太陽高峰期里，高能粒子造成我國“風(fēng)云二號(hào)風(fēng)云二號(hào)B B”氣象衛(wèi)星氣象衛(wèi)星于于19901990年提前報(bào)廢。年提前報(bào)廢。太陽風(fēng)暴歷史重大災(zāi)難事件太陽風(fēng)暴歷史重大災(zāi)難事件3 3 20032003年年1010月底至月底至1 1月初的太陽爆發(fā)事件產(chǎn)生廣泛的影響：月初的太陽爆發(fā)事件產(chǎn)生廣泛的影響：瑞典的瑞典的SydkraftSydkraft電力集團(tuán)報(bào)道，北歐上空強(qiáng)烈的地磁誘導(dǎo)電流電力集團(tuán)報(bào)道，北歐上空強(qiáng)烈的地磁誘導(dǎo)電流 引起了變壓器事故，導(dǎo)致一套系統(tǒng)崩潰及電力供應(yīng)中斷。引起了變壓器事故，導(dǎo)致一套系統(tǒng)崩潰及電力供

11、應(yīng)中斷。其高強(qiáng)度輻射暴能級(jí)促使其高強(qiáng)度輻射暴能級(jí)促使NASANASA發(fā)出了令國際太空站的宇航員進(jìn)入發(fā)出了令國際太空站的宇航員進(jìn)入預(yù)防掩體的飛行指令。預(yù)防掩體的飛行指令。航空公司在其高緯度航線中采取了從沒有過的飛行方式來避開高航空公司在其高緯度航線中采取了從沒有過的飛行方式來避開高輻射能級(jí)和通信中斷區(qū)域。航程變更給航空公司的每次飛行增加輻射能級(jí)和通信中斷區(qū)域。航程變更給航空公司的每次飛行增加了了$10,000 $10,000 到到 $100,000$100,000的開支。的開支。該太陽風(fēng)暴被懷疑是導(dǎo)致價(jià)值該太陽風(fēng)暴被懷疑是導(dǎo)致價(jià)值$640,000,000 $640,000,000 的的ADEOS

12、-2ADEOS-2飛行器損飛行器損毀，該飛行器搭載了毀，該飛行器搭載了NASANASA的價(jià)值的價(jià)值$150,000,000 $150,000,000 的海洋風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的海洋風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。由于此次太陽爆發(fā)的高強(qiáng)度和變化性，絕大多數(shù)易受空間設(shè)備。由于此次太陽爆發(fā)的高強(qiáng)度和變化性，絕大多數(shù)易受空間天氣攻擊的工業(yè)部門在運(yùn)行過程中都經(jīng)受了某種程度的影響。天氣攻擊的工業(yè)部門在運(yùn)行過程中都經(jīng)受了某種程度的影響。 研究地球空間環(huán)境的意義研究地球空間環(huán)境的意義 科學(xué)的角度科學(xué)的角度 天然的實(shí)驗(yàn)室天然的實(shí)驗(yàn)室 等離子體物理等離子體物理, ,波動(dòng)波動(dòng) 應(yīng)用的角度應(yīng)用的角度 地球空間環(huán)境及其災(zāi)害性擾動(dòng)對(duì)人地球空間環(huán)境及其災(zāi)害性擾動(dòng)對(duì)人類的生存與活動(dòng)的影響。類的生存與活動(dòng)的影響。 Historic ionosondingu In 1930s, Prof. C. T. Gui（桂質(zhì)廷桂質(zhì)廷） brought an ionosonder from USA to WHU and initiated routine ion