空间环境科学(6)

山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学1主讲:刘玉波山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学2空间环境科学一、空间环境科学概述环境是指围绕着人类的外部世界。是人类赖以生存和发展的社会和物质条件的综合体。可分为自然环境和社会环境。研究环境的目的是利用环境，空间环境也不例外，利用空间环境为人类造福也是研究的重要目的。山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学3中性大气对航天活动的影响：一是对航天器飞行轨道的影响。二是中性大气中的原子氧成分对航天器表面的腐蚀作用。1.中性大气环境二、空间环境要素2.电离气体——等离子体环境等离子体是由等量的电子和正离子组成的气体，它和固体、液体、中性气体并称为物质的四态。等离子体是宇宙的主要成分，占宇宙物质的99%以上。山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学4高能带电粒子是指能量极高的电子、质子、离子和原子核。3.高能带电粒子环境来源于太阳的高能带电粒子又称太阳宇宙线。磁场能控制带电粒子的运动，在空间环境过程中磁场起很重要的作用。4.磁场环境空间的电磁辐射主要来自太阳，它有很宽的能谱,从波长很长的无线电波到能量很高的γ辐射。5.电磁辐射环境山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学5空间天然的固体微粒是流星体，空间碎片是人为遗弃在空间的物体。6.固体微粒环境三、空间环境分区空太阳表面连续喷发出的等离子体以每秒数百公里到一千多公里的速度吹向地球，充斥整个日地空间，被称为“太阳风”，它所携带的太阳表面磁场形成了行星际磁场。1.太阳风和行星际磁场目前空间环境科学研究的空间范围主要是太阳和地球之间的空间，一般称为日地空间。山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学6山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学7地磁场的分布近似为偶极子磁场，地球磁场不是平面磁场，它的边界不是平面，而是形成一个被太阳风包围的区域，称为“磁层”。在磁层内磁场被压缩，太阳风不能进入，在磁层外是太阳风，地磁场被屏蔽,它们之间的界面为“磁层顶”。磁层形状大致如图6-3。2.地球的磁场和磁层山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学8整个大气层按照它的物理性质可分为对流层、平流层、中间层、热层和外逸层；按大气成份可分为均质层、非均质层和外逸层。对流层最靠近地面，它的主要特征是大气的对流强烈，在对流层内，高度越高，温度越低。3.地球大气山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学9平流层内大气比较平稳，温度随高度的增加而增加，臭氧层是平流层内的一个层次。中间层里大气温度再次随高度的增加而降低，它的特点是光化反应十分强烈，发生各种发光现象。平流层和中间层以合称中层。热层其温度又一次随高度迅速增加，热层变化十分复杂，因为影响热层的因素非常多；另外在热层顶温度又趋于稳定，不再随高度变化。均质层是指从地面到大约80km高度范围内的大气,大气的成分基本相同，平均分子量不随高度变化。山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学10非均质层成分随高度有明显的变化，主要成份为氮分子、氧原子、氦、氢等，平均分子量随高度逐渐降低。外逸层大气的最外层，这里的大气已经十分稀薄,分子之间的碰撞可以忽略，如果分子的热运动速度足够大，它就有可能摆脱地球的引力而飞向宇宙空间。另外，高层大气中一部分气体分子被电离，由这部分离子和电子组成了电离层。空间物理学研究的另一部分是地外空间，包括地球磁场、太阳的粒子辐射和太阳风和地磁场的相互作用(磁层)。山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学11四、空间环境探测1.空间环境探测的手段地基探测是将探测设备安放在地球表面对空间环境进行的探测。(1)地基探测特点：长期定点连续探测；随地球运动过程可对一定的时间和空间范围进行探测；可以按需要组网；易维护、成本低；遥感方式受大气的影响。火箭探测是近地空间探测的重要手段之一，它能把探测仪器带到一百至几千公里的高空进行测量。(2)火箭探测山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学12天基探测是指以卫星和其他轨道上的航天器为载体，在空间进行的现场测量，或者用遥感的方法进行的成像观测。(3)天基探测特点：直接探测；受航天技术制约，费用昂贵，研制周期长；高空间分辨率；对太阳的遥感成像不受大气的干扰；大视野成像观测。2.中性大气探测在数百公里高度处的高层大气虽然已经十分稀薄,但是对航天器的轨道仍然有阻尼作用，是航天器最后陨落的主要原因。山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学13中性大气的直接探测多采用电离真空规。它是一种通过对环境大气收集取样并用电离真空规测量大气压力换算大气密度的方法。高层中性大气成分探测主要采用质谱计的方法。质谱计通常用电子束离化大气中的气体样品，再分析所产生的离子并测定样品中包含的各种成分的浓度。3.中性大气探测一种是电波法，即利用空间等离子体对通过它传播的电波的效应进行相关测量，给出空间等离子体的有关参量的探测空间等离子体的方法。两种测量方法：山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学14目前带电粒子的探测主要是利用它和物质相互作用时发生的电离、激发效应和切伦柯夫辐射。依据所应用的原理，电波法又可以划分为短波雷达类、信标类、散射雷达类等。另一种是探针法，它从环境中得到电子或离子，由于电子质量远小于离子，且粒子能量相当低，故产生的电流取决于探针所处的环境及所加电位。它可用来测量等离子体的电子密度、电子温度及离子参量。4.高能带电粒子探测山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学15常用的磁场探测仪器有磁通门磁强计、探测线圈、质子旋进磁强计、光泵磁强计。5.空间磁场探测它们基本上可由地面光学望远镜和雷达等常规性仪器探测、追踪并予以编目。6.空间碎片和微流星体探测五、空间环境模式研究1.目的和意义编制空间环境分布模式的目的是用简单实用的数学表达式描述空间环境的平均分布状态。山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学16空间环境分布模式是以实际的探测数据为基础编制的。2.方法早期的高层大气数据主要靠卫星轨道反演的方法得到。3.高层大气模式另一种模式是依据卫星和火箭携带的质谱计进行的直接测量和地面非相干散射雷达测量的结果建立的，称为MSIS模式。MET模式是NASA马歇尔飞行中心工程用热层模式。山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学17空国际参考电离层(IRI)是一个全球的电离层经验模式。它是利用全球地面分布着的几百个电离层观测站的长期观测资料及卫星观测资料，由国际无线电科联和空间研究委员会(URSI/COSPAR)联合从20世纪60年代后期开始发展建立的。4.电离层模式5.高能带电粒子模式单向积分通量定义为空间的单位面积上、在单位时间内、来自某一方向的单位立体角内、能量大于给定值的粒子数目：粒子/厘米2·秒·单位立体角。(1)单位山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学18全向积分通量定义为空间的单位面积上、在单位时间内、来自所有方向的、能量大于给定值的粒子数目：粒子/厘米2·秒。单向微分通量与单向积分通量相仿，指在单位能量间隔内的粒子数：粒子/厘米2·秒·单位立体角·单位能量(如keV)。全向微分通量与全向积分通量相仿，指在单位能量间隔内的粒子数：粒子/厘米2·秒·单位能量(如keV)。(2)银河宇宙线模式(3)太阳宇宙线模式山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学19地球辐射带的主要成分是电子和质子，有少量的氦核和更少量的重元素的离子。分为辐射带电子模型AE和辐射带质子模型AP，最新的是质子模型AP8和电子模型AE8。6.地球辐射带模式山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学20地球磁场按其起源可分为内源场和外源场。内源场是地磁场中起源于地球内部的部分，它包括基本磁场和外源场变化时在地壳内感应产生的磁场。基本磁场是地球固有的磁场，起源于地核中的电流体系，是地磁场的主要部分，约占99%。基本磁场十分稳定。外源场起源于地球附近的电流体系，包括电离层电流、环电流、场向电流、磁层顶电流及磁层内其他电流的磁场。外源场由于各种原因而不断变化，主要有磁静日太阳日变化、太阴日变化，以及磁暴、亚暴、钩扰等地磁扰动。7.空间磁场模式山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学21山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学22流星体在空间的分布并不是均匀的。一些流星体是独自运动的，其轨道也是随机的，称为偶现流星体。另有许多流星体密集在产生它们的母体的轨道附近，当地球穿过这些区域时，地球及围绕地球运行的空间站和其他航天器就会遇到更多的流星撞击，它们进入大气层后燃烧发光成为人们可看到的“流星群”(流星雨)。流星群的不规则的空间分布，造成在地球附近的流星通量随时间变化。8.流星体模式山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学23空间碎片模式包括空间碎片分布模式和空间碎片演化模式，分布模式将空间物体的轨道根数和其他特征的信息转换为空间的分布，由此可以导出空间碎片通量、仪器探测率、碰撞概率等，帮助研究人员解释测量轨道碎片实验得到的数据，以及帮助设计者确定碎片对航天器的威胁，在航天工程上应用广泛，所以也叫做工程模式。空间碎片演化模式也称为未来分布模式，用于了解观测碎片数量的未来增长。9.空间碎片模式山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学24(1)单一空间环境参量及相关模式的集成10.模式集成(2)多空间环境参数综合模式集成六、空间环境预报1.空间环境预报的必要性空间环境受太阳活动的影响，其状态不断发生变化，有时甚至是非常剧烈的变化。太阳活动既有长达以11年为周期的变化，也有短至十几分钟的爆发过程。这些变化导致航天器的运行轨道、姿态和寿命受到严重影响。因此，提前预报空间环境扰动，特别是预报灾害性空间环境扰动，以便采取相应的防护措施和对策是非常重要和必要的。山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学252.空间环境预报工作的主要内容空间环境预报工作涉及的面很宽，主要的工作可以归纳为以下几个方面：(1)数据获取；(2)物理过程研究；(3)基本规律和相关关系研究；(4)预报模式研究；(5)预报的实施。3.空间环境预报的分类空间环境预报通常可分为长期预报(以年为单位)、中期预报(以太阳自转周期[27天]为单位)、短期预报(1~3天)和警报(几十分钟到24小时内)等。山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学26七、空间环境效应1.空间环境效应研究方法空间环境的效应十分广泛，是空间环境科学中和用户关系最为密切的部分，比较重要的有空间环境对航天器的影响、对通讯导航的影响、对供电系统的影响、对输油管道的影响、对军事活动的影响等方面。(1)天基试验；(2)地基实验室模拟；(3)计算机模拟；山东轻工业学院数理学院近代物理概论空间环境科学272.高层大气对航天器轨道的影响3.氧原子对航天器表面的化学作用4.高能带电粒子对航天器的辐射效应5.空间等离子体与航天器充放电效应6.空间碎片和微流星体与航天器机械损伤效应7.等离子体对电波传播的影响