地球科学导论-空间物理概论

空间物理概论-磁层和行星物理陆全明中国科学技术大学地球物理和行星科学技术系什么是空间物理•所谓空间，是指从太阳到地球、直至整个太阳系的广阔范围；广义上来讲，也就是人类生存的环境。•空间物理学是伴随人造卫星成功发射而形成并迅速发展的新兴交叉学科，主要研究广阔的太阳大气和行星际空间、地球和行星的磁层、电离层和中高层大气中的基本物理过程及其演化规律，探讨空间环境的监测、诊断、预报及其在航天、国防、通讯、导航等方面的应用。空间物理的发展历史极光地磁场太阳黑子电离层卫星观测航空磁异常时间稳定，100km,似乎可用美国航磁异常通信质量极大地依赖于电磁环境日全食时的太阳齐奥尔科夫斯基—航天之父（1857-1935，俄罗斯）现代宇宙航行学的奠基人，最先论证了利用火箭进行星际交通、人造地球卫星和近地轨道站的可能性，解决了一系列重要工程技术问题。“地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。”1957年10月4日，苏联成功地发射了世界第一颗人造地球卫星。它的名字叫斯普特尼克1号/Sputnik1)。第一颗人造地球卫星外辐射带内辐射带Explorer1盖革计数器观测结果？Explorer3盖革计数器观测结果空间物理15地球磁层空间物理16太阳大气和行星际空间太阳风太阳不断向外喷出速度为数百公里每秒的超声速磁化等离子体流，称为太阳风。活动的太阳太阳的内部结构日冕Core-Photosphere–Chromosphere–Transitionregion–Corona4,500oC1,000,000oC15,000,000oC20,000oC肆虐的太阳活动的太阳对地球的影响地面看到的极光空间天气金星太阳系太空探索和空间物理-新地平线号探测器新地平线号的轨道新地平线号探测器使命美国国家航空航天局（NASA）的一项探测计划，在佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心发射。•2006年1月19日，成功发射。•2006年4月7日，穿过火星轨道。•2006年5月上旬，进入小行星带；10月下旬，离开小行星带。•2007年1月8日，开始木星探测。•2007年1月10日，观测木卫十七(Callirrhoe)。•2008年6月8日，穿过土星轨道。•2011年3月18日，穿越天王星轨道。•2014年8月24日，穿越海王星轨道。•2015年7月14日，飞越冥王星和冥卫一。•2016-2020年，近距离接触柯伊伯带天体。•2029年，离开太阳系。它的名字叫「莱尔卡」，乘坐「斯普特尼克2号」于1957年11月3日由苏联发射上太空。虽然它为这次任务而壮烈牺牲，但却名留青史。第一个上天的动物第一次载人航天1961年4月12日，苏联太空人「尤里•加加林」乘坐「东方号」飞船，首次进入太空，环绕地球飞行108分钟后安全返回地面。这是人类第一次遨游太空。揭开了载人航天的序幕1963年6月13日，苏联的瓦莲金娜•捷列什科娃独自一人驾驶东方6号太空船进入太空。她在太空中生活了3天，围绕地球飞行48圈后安全返回地面。第一个上天的女航天员1962年12月14日，水手2号抵达金星，迈出了人类对行星的深空探测的第一步。首个金星探测器（美国）人类第一次踏上了月球-阿波罗计划（1969年7月美国）个人的一小步，人类的一大步阿姆斯特朗人类第一个空间站-礼炮1号（1971年前苏联）离太阳最近的探测器-太阳神（西德和美国）1974年12月10日发射太阳神1号，到达近日点为0.309天文单位（约4635万千米）的日心轨道；1976年1月15日发射太阳神2号，到达近日点为0.29天文单位的日心轨道。中国第一次载人航天2003年10月15日9时，杨利伟乘由长征2号火箭运载的神舟5号飞船首次进入太空，是中国第一位进入太空的宇航员。空间等离子体的性质DL1DN1p电中性条件集体相互作用条件碰撞足够少另外lnDpDNN典型空间等离子体特性等离子体区域密度（m-3）温度（ev）德拜长度（m）粒子数（ND）太阳日冕101210210-1109太阳风10710101010磁层1071031021013电离层101210-110-3104描述等离子体的方法•MHD•单粒子轨道理论•动力论：Vlasov方程探求科学奥秘，造福人类！！太阳和空间天气月球和行星（太阳系起源、生命起源、气候等）和其他学科的关系空间技术地球科学等离子体物理空间科学（生命、微重力、空间材料……）空间天气对人类的影响空间物理45对空间天气的认识•随着高新科技迅速发展和保障人类生存环境的迫切需求，20世纪90年代以来，空间天气研究日益受到人们重视。•美国和我国的卫星故障中有40%与空间灾害性天气有关。•电离层状态的快速变化，可引起通信质量下降甚至中断。•1989年3月13日凌晨，强磁暴产生的强感应电流使得加拿大魁北克水电站变压器损坏，电网瘫痪，600万居民停电9小时，直接经济损失5亿美元。•1995年美国发表“美国国家空间天气战略计划”，随后10多个国家纷纷制定了相应计划，成立了相关的管理机构。空间物理46美国国家空间天气计划THEMIS卫星[afterPaschmannetal.,1979]BBnnQ-//shockQ-shockBnBnVSReflectedIonbeamsIntermediatedistributionsDiffuseionsIonforeshockElectronsIonsIonforeshockboundaryB[afterTsurutaniandRodriguez,1981]Field-alignedbeams(FABs)[Paschmannetal.,1981]SWFAB[Sentmanetal.,1981]FABNotassociatedwithULFWavesIondistributionsEarthf(v//)激波的形成激波的形成：●在中性气体中:碰撞、超音速平均厚度为分子平均自由程●无碰撞等离子体中呢？？分子平均自由程为1AU舷激波的位置•前端到地心的距离约为14个地球半径，平均位置K约为25个地球半径，约为0.8./(1cos)RK激波的上下游激波守恒关系Rankine-Hugoniot关系202202200111()()()/202()[/](/)[]11()()[][/2][](/)[]ududtutdududntntntudtnntUUppBBuBBBupBuBuB磁层顶磁层顶：磁层上边界，把源于地球的等离子体和磁场与太阳风等离子体分开来。其磁场强度由下式决定：220/(2)swmsuBswChapman-Ferraro电流层的形成微观解释左边为冷电子和离子束流，右边为均匀磁场。根据每单位时间通过某一特定x-z平面（y=y0)。任何进入2倍离子回旋半半径区域的质子将跨越此平面。可求得电流：0zBI222/cppzInuenmuB利用可得2220/2zpBnmuu地球磁尾极盖区上空磁场强度的垂直分量在极盖区的积分202(sin)PCEPCRB尾瓣磁场强度2/2TTTRB两者相等，可得1/20/(4/)sinTETPCRRBB0015,31000,20,R20TEBnTBnTRPCT如则同时，根据稳态磁尾静止下，尾瓣必须与等离子体片和太阳风之间保持压力平衡。可得问题:20/2()TieBnkTT和尾瓣中的典型参数吻合30.3,4.2,0.6iencmTKeVTKeV电流为02TIBB磁尾半径在磁尾的张开利用压力平衡22200sin/2swTupB同时2tan/sin,2/TTTTdRdxBR可得22222000(/)/2(1/2)(2/)swTTTTudRdxpBR224*(/)1(/)TTMdRdxRR整理后可得其中21/2221/40*00(/),(2/)swTMupRp为磁尾的渐近半径求得积分可得Coroniti和Kennel证明3*0*0*[0.6(1/3)(/)]xxMRRR41/2*/(1/)[(/)1]TTdRdxMRR*0*/41/20**00/()/(1),/,TRRTTRRxxMRdrrrRRxxRR其中时在典型太阳风参数下00**18,10,27R,140EEEERRxRRxR可得渐近的瓣场强度9nT.地球磁层的磁场位形磁层顶:Chapman-Ferraro电流Birkeland电流将部分环电流联接到电离层地球中磁层和内磁层等离子体地球同步轨道区域离地心大约6.6RE,并在地理赤道面。是许多卫星的工作区域。等离子体层位于和辐射带相同的区域，是冷而密（103cm-3)的等离子体。由高电离层向上跑的等离子体组成。绝热不变量和粒子漂移1、回旋运动2、沿磁力线的弹跳运动3、垂直于磁场的漂移运动粒子的运动回旋运动：1/222100(0.66)||||100(46)()()||1cccmnTTsAqBBmvEnTkmqBkeVB弹跳运动1/21/2||||21~~(5min)()()10bBBEllkeVAvRW漂移运动22221~~(56)()()()5100DGCErqBrrBkeVhvWRnTW弹跳运动和绝热不变量第一绝热不变量：2222||||211()22mvBWmvvmvB常数同时常数第二绝热不变量||22()JpdsWBds粒子漂移和环电流正粒子向西漂移，负粒子向东漂移，辐射带形成了西向电流。02ˆ3particleparticleszmagWBWBe南大西洋异常•南大西洋辐射异常区是位于南美洲东侧南大西洋的地磁异常区域，较相邻近区域的磁场强度弱，约是同纬度正常区磁场强度的一半大小，故属负磁异常区。它是地球上面积最大的磁异常区，区域涉及纬度范围10N～60S、经度范围20E～100W，区域中心大约在45W，30S处，因它处于巴西附近，所以又称它为巴西磁异常。由于南大西洋磁异常区是负磁异常区，使得空间高能带电粒子环境分布改变，尤其是内辐射带在该区的高度明显降低，其最低高度可降到200km左右，造成辐射带的南大西洋异常区。南大西洋异常区是引起低轨道航天器辐射危害严重的区域，是带电粒子诱发的异常或故障的高发区。•该区域中心，高能质子的通量是宇宙线背景的数百倍，因此，南大西洋异常区是“神舟”轨道上最重要的辐射源。不同脉动种类的周期与频率范围Pc-1：0.2-5s,0.2-5HzPi-1:1-40s,0.025-1HzPc-2：5-10s,0.1-0.2HzPi-2:40-150s,2-25mHzPc-3:10-45s,22-100mHzPc-4:45-150s,7-22mHzPc-5:150-600s,2-7mHz电离层边界条件允许传播的阿尔芬的波长||2/ln偶极子磁场中的MHD波允许传播的阿尔芬的波长||2/ln波能的来源太阳风中的波动磁层顶的K-H不稳定性波和粒子相互作用磁层亚暴由太阳风流入磁层的能量增加时，磁层、电离层内发生的有序事件即为亚暴。亚暴最显著的表现为极光，电离层的电流引起地面磁场强扰动。用AE指数,有行星际扰动,时间为小时尺度.发生在极区.磁暴当太阳风与磁层的相互作用耦合增强、时间延长，地磁活动增强并将发展成磁暴。磁暴的发展过程最好是在中纬度用Dst指数来确定。Dst的定义是全球赤道H分量扰动的瞬时平均值.需要行星际磁场长时间南向.全局的.初相：磁场突然增加，几个小时主相：强烈扰动的Dst突然下降，比较短恢复相：Dst复原，漫长，几天ULF波地磁脉动亚暴两种模式的探讨2Hefei,Oct31,2008亚暴概述磁层亚暴是从地球夜侧开始的一种爆炸式的释能过程，是一种重要的磁层活动现象，是地球磁层动力学性质最生动的表现。一次亚暴过程的持续时间约为1-3小时，释放能量约10的14次方--10的15次方焦耳。亚暴两种模式的探讨3Hefei,Oct31,