空間環(huán)境科學(xué)

空間環(huán)境科學(xué)第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一空間環(huán)境科學(xué)一、空間環(huán)境科學(xué)概述

環(huán)境是指圍繞著人類的外部世界。是人類賴以生存和發(fā)展的社會和物質(zhì)條件的綜合體?？煞譃樽匀画h(huán)境和社會環(huán)境。

研究環(huán)境的目的是利用環(huán)境，空間環(huán)境也不例外，利用空間環(huán)境為人類造福也是研究的重要目的。2第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

中性大氣對航天活動的影響：一是對航天器飛行軌道的影響。二是中性大氣中的原子氧成分對航天器表面的腐蝕作用。1.中性大氣環(huán)境

二、空間環(huán)境要素

2.電離氣體——等離子體環(huán)境

等離子體是由等量的電子和正離子組成的氣體，它和固體、液體、中性氣體并稱為物質(zhì)的四態(tài)。等離子體是宇宙的主要成分，占宇宙物質(zhì)的99%以上。3第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

高能帶電粒子是指能量極高的電子、質(zhì)子、離子和原子核。3.高能帶電粒子環(huán)境

來源于太陽的高能帶電粒子又稱太陽宇宙線。

磁場能控制帶電粒子的運(yùn)動，在空間環(huán)境過程中磁場起很重要的作用。4.磁場環(huán)境

空間的電磁輻射主要來自太陽，它有很寬的能譜,從波長很長的無線電波到能量很高的γ輻射。5.電磁輻射環(huán)境4第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

空間天然的固體微粒是流星體，空間碎片是人為遺棄在空間的物體。6.固體微粒環(huán)境

三、空間環(huán)境分區(qū)

空太陽表面連續(xù)噴發(fā)出的等離子體以每秒數(shù)百公里到一千多公里的速度吹向地球，充斥整個(gè)日地空間，被稱為“太陽風(fēng)”，它所攜帶的太陽表面磁場形成了行星際磁場。1.太陽風(fēng)和行星際磁場

目前空間環(huán)境科學(xué)研究的空間范圍主要是太陽和地球之間的空間，一般稱為日地空間。5第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一6第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一地磁場的分布近似為偶極子磁場，地球磁場不是平面磁場，它的邊界不是平面，而是形成一個(gè)被太陽風(fēng)包圍的區(qū)域，稱為“磁層”。在磁層內(nèi)磁場被壓縮，太陽風(fēng)不能進(jìn)入，在磁層外是太陽風(fēng)，地磁場被屏蔽,它們之間的界面為“磁層頂”。磁層形狀大致如圖6-3。2.地球的磁場和磁層7第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一整個(gè)大氣層按照它的物理性質(zhì)可分為對流層、平流層、中間層、熱層和外逸層；按大氣成份可分為均質(zhì)層、非均質(zhì)層和外逸層。

對流層最靠近地面，它的主要特征是大氣的對流強(qiáng)烈，在對流層內(nèi)，高度越高，溫度越低。3.地球大氣8第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

平流層內(nèi)大氣比較平穩(wěn)，溫度隨高度的增加而增加，臭氧層是平流層內(nèi)的一個(gè)層次。

中間層里大氣溫度再次隨高度的增加而降低，它的特點(diǎn)是光化反應(yīng)十分強(qiáng)烈，發(fā)生各種發(fā)光現(xiàn)象。平流層和中間層以合稱中層。

熱層其溫度又一次隨高度迅速增加，熱層變化十分復(fù)雜，因?yàn)橛绊憻釋拥囊蛩胤浅６啵涣硗庠跓釋禹敎囟扔众呌诜€(wěn)定，不再隨高度變化。

均質(zhì)層是指從地面到大約80km高度范圍內(nèi)的大氣,大氣的成分基本相同，平均分子量不隨高度變化。9第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一非均質(zhì)層成分隨高度有明顯的變化，主要成份為氮分子、氧原子、氦、氫等，平均分子量隨高度逐漸降低。

外逸層大氣的最外層，這里的大氣已經(jīng)十分稀薄,分子之間的碰撞可以忽略，如果分子的熱運(yùn)動速度足夠大，它就有可能擺脫地球的引力而飛向宇宙空間。另外，高層大氣中一部分氣體分子被電離，由這部分離子和電子組成了電離層?？臻g物理學(xué)研究的另一部分是地外空間，包括地球磁場、太陽的粒子輻射和太陽風(fēng)和地磁場的相互作用(磁層)。10第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一四、空間環(huán)境探測

1.空間環(huán)境探測的手段

地基探測是將探測設(shè)備安放在地球表面對空間環(huán)境進(jìn)行的探測。(1)地基探測

特點(diǎn)：長期定點(diǎn)連續(xù)探測；隨地球運(yùn)動過程可對一定的時(shí)間和空間范圍進(jìn)行探測；可以按需要組網(wǎng)；易維護(hù)、成本低；遙感方式受大氣的影響。

火箭探測是近地空間探測的重要手段之一，它能把探測儀器帶到一百至幾千公里的高空進(jìn)行測量。(2)火箭探測11第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

天基探測是指以衛(wèi)星和其他軌道上的航天器為載體，在空間進(jìn)行的現(xiàn)場測量，或者用遙感的方法進(jìn)行的成像觀測。(3)天基探測

特點(diǎn)：直接探測；受航天技術(shù)制約，費(fèi)用昂貴，研制周期長；高空間分辨率；對太陽的遙感成像不受大氣的干擾；大視野成像觀測。2.中性大氣探測

在數(shù)百公里高度處的高層大氣雖然已經(jīng)十分稀薄,但是對航天器的軌道仍然有阻尼作用，是航天器最后隕落的主要原因。12第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一中性大氣的直接探測多采用電離真空規(guī)。它是一種通過對環(huán)境大氣收集取樣并用電離真空規(guī)測量大氣壓力換算大氣密度的方法。高層中性大氣成分探測主要采用質(zhì)譜計(jì)的方法。質(zhì)譜計(jì)通常用電子束離化大氣中的氣體樣品，再分析所產(chǎn)生的離子并測定樣品中包含的各種成分的濃度。3.中性大氣探測

一種是電波法，即利用空間等離子體對通過它傳播的電波的效應(yīng)進(jìn)行相關(guān)測量，給出空間等離子體的有關(guān)參量的探測空間等離子體的方法。兩種測量方法：13第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

目前帶電粒子的探測主要是利用它和物質(zhì)相互作用時(shí)發(fā)生的電離、激發(fā)效應(yīng)和切倫柯夫輻射。

依據(jù)所應(yīng)用的原理，電波法又可以劃分為短波雷達(dá)類、信標(biāo)類、散射雷達(dá)類等。

另一種是探針法，它從環(huán)境中得到電子或離子，由于電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，且粒子能量相當(dāng)?shù)停十a(chǎn)生的電流取決于探針?biāo)幍沫h(huán)境及所加電位。它可用來測量等離子體的電子密度、電子溫度及離子參量。4.高能帶電粒子探測14第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

常用的磁場探測儀器有磁通門磁強(qiáng)計(jì)、探測線圈、質(zhì)子旋進(jìn)磁強(qiáng)計(jì)、光泵磁強(qiáng)計(jì)。5.空間磁場探測

它們基本上可由地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)等常規(guī)性儀器探測、追蹤并予以編目。6.空間碎片和微流星體探測五、空間環(huán)境模式研究

1.目的和意義

編制空間環(huán)境分布模式的目的是用簡單實(shí)用的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述空間環(huán)境的平均分布狀態(tài)。15第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

空間環(huán)境分布模式是以實(shí)際的探測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)編制的。2.方法

早期的高層大氣數(shù)據(jù)主要靠衛(wèi)星軌道反演的方法得到。3.高層大氣模式

另一種模式是依據(jù)衛(wèi)星和火箭攜帶的質(zhì)譜計(jì)進(jìn)行的直接測量和地面非相干散射雷達(dá)測量的結(jié)果建立的，稱為MSIS模式。

MET模式是NASA馬歇爾飛行中心工程用熱層模式。16第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一空國際參考電離層(IRI)是一個(gè)全球的電離層經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。它是利用全球地面分布著的幾百個(gè)電離層觀測站的長期觀測資料及衛(wèi)星觀測資料，由國際無線電科聯(lián)和空間研究委員會(URSI/COSPAR)聯(lián)合從20世紀(jì)60年代后期開始發(fā)展建立的。4.電離層模式5.高能帶電粒子模式單向積分通量定義為空間的單位面積上、在單位時(shí)間內(nèi)、來自某一方向的單位立體角內(nèi)、能量大于給定值的粒子數(shù)目：粒子/厘米2·秒·單位立體角。(1)單位

17第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

全向積分通量定義為空間的單位面積上、在單位時(shí)間內(nèi)、來自所有方向的、能量大于給定值的粒子數(shù)目：粒子/厘米2·秒。

單向微分通量與單向積分通量相仿，指在單位能量間隔內(nèi)的粒子數(shù)：粒子/厘米2·秒·單位立體角·單位能量(如keV)。

全向微分通量與全向積分通量相仿，指在單位能量間隔內(nèi)的粒子數(shù)：粒子/厘米2·秒·單位能量(如keV)。(2)銀河宇宙線模式

(3)太陽宇宙線模式18第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一地球輻射帶的主要成分是電子和質(zhì)子，有少量的氦核和更少量的重元素的離子。分為輻射帶電子模型AE和輻射帶質(zhì)子模型AP，最新的是質(zhì)子模型AP8和電子模型AE8。6.地球輻射帶模式19第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一地球磁場按其起源可分為內(nèi)源場和外源場。內(nèi)源場是地磁場中起源于地球內(nèi)部的部分，它包括基本磁場和外源場變化時(shí)在地殼內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的磁場?；敬艌鍪堑厍蚬逃械拇艌?，起源于地核中的電流體系，是地磁場的主要部分，約占99%?；敬艌鍪址€(wěn)定。外源場起源于地球附近的電流體系，包括電離層電流、環(huán)電流、場向電流、磁層頂電流及磁層內(nèi)其他電流的磁場。外源場由于各種原因而不斷變化，主要有磁靜日太陽日變化、太陰日變化，以及磁暴、亞暴、鉤擾等地磁擾動。7.空間磁場模式

20第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一21第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一流星體在空間的分布并不是均勻的。一些流星體是獨(dú)自運(yùn)動的，其軌道也是隨機(jī)的，稱為偶現(xiàn)流星體。另有許多流星體密集在產(chǎn)生它們的母體的軌道附近，當(dāng)?shù)厍虼┻^這些區(qū)域時(shí)，地球及圍繞地球運(yùn)行的空間站和其他航天器就會遇到更多的流星撞擊，它們進(jìn)入大氣層后燃燒發(fā)光成為人們可看到的“流星群”(流星雨)。流星群的不規(guī)則的空間分布，造成在地球附近的流星通量隨時(shí)間變化。8.流星體模式

22第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

空間碎片模式包括空間碎片分布模式和空間碎片演化模式，分布模式將空間物體的軌道根數(shù)和其他特征的信息轉(zhuǎn)換為空間的分布，由此可以導(dǎo)出空間碎片通量、儀器探測率、碰撞概率等，幫助研究人員解釋測量軌道碎片實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，以及幫助設(shè)計(jì)者確定碎片對航天器的威脅，在航天工程上應(yīng)用廣泛，所以也叫做工程模式?？臻g碎片演化模式也稱為未來分布模式，用于了解觀測碎片數(shù)量的未來增長。9.空間碎片模式23第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一

(1)單一空間環(huán)境參量及相關(guān)模式的集成10.模式集成

(2)多空間環(huán)境參數(shù)綜合模式集成六、空間環(huán)境預(yù)報(bào)

1.空間環(huán)境預(yù)報(bào)的必要性

空間環(huán)境受太陽活動的影響，其狀態(tài)不斷發(fā)生變化，有時(shí)甚至是非常劇烈的變化。太陽活動既有長達(dá)以11年為周期的變化，也有短至十幾分鐘的爆發(fā)過程。這些變化導(dǎo)致航天器的運(yùn)行軌道、姿態(tài)和壽命受到嚴(yán)重影響。因此，提前預(yù)報(bào)空間環(huán)境擾動，特別是預(yù)報(bào)災(zāi)害性空間環(huán)境擾動，以便采取相應(yīng)的防護(hù)措施和對策是非常重要和必要的。24第24頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一2.空間環(huán)境預(yù)報(bào)工作的主要內(nèi)容空間環(huán)境預(yù)報(bào)工作涉及的面很寬，主要的工作可以歸納為以下幾個(gè)方面：

(1)數(shù)據(jù)獲取；(2)物理過程研究；(3)基本規(guī)律和相關(guān)關(guān)系研究；(4)預(yù)報(bào)模式研究；(5)預(yù)報(bào)的實(shí)施。3.空間環(huán)境預(yù)報(bào)的分類空間環(huán)境預(yù)報(bào)通?？煞譃殚L期預(yù)報(bào)(以年為單位)、中期預(yù)報(bào)(以太陽自轉(zhuǎn)周期[27天]為單位)、短期預(yù)報(bào)(1~3天)和警報(bào)(幾十分鐘到24小時(shí)內(nèi))等。25第25頁，共27頁，2023年，2月20日，星期一七、空間環(huán)境效應(yīng)1.空間環(huán)境效應(yīng)研究方法

空間環(huán)境的效應(yīng)十分廣泛，是空間環(huán)境科學(xué)中和用戶關(guān)系最為密切的部分，比較重要的有空間環(huán)境對航天器的影響、對通訊導(dǎo)航的影響、對供電