1、1,空间物理学,山东轻工业学院 数理学院,刘玉波,2,一、空间物理学概述,1. 空间物理学简史,空间物理学是一门研究发生在宇宙空间里的各种物理过程的基础科学，这些物理过程对航天事业和人类的生态环境产生重要的影响，因此它又有重要的应用价值。,2. 空间物理学的特点,空间物理学主要研究太阳活动区、日球、行星磁层、行星电离层、行星大气等空间区域的物理过程和规律。,(1) 认识宇宙空间的一门基础学科,3,空间物理研究的应用价值表现在两个方面：,观测数据是空间物理研究的基础，既是研究工作的出发点，也是检验研究工作的唯一的标准，它的特点是观测手段的多样性。,(2) 具有重要应用价值的学科,(3) 以多种观
2、测手段为基础的学科,一方面它的研究对象作为航天器的运行和工作环境，对航天器有十分重要的影响。,另一方面，太阳扰动对生态环境产生的重要影响。,4,(5) 在国际合作中发展起来的学科,空间物理研究的领域广阔，空间探测耗资巨大，使一个国家难以单独执行规模较大的探测计划，地面观测和卫星数据接收等又需要在全球进行布站，研究的对象更是超越国界的全球性问题，国际合作在空间物理研究中起很重要的作用。,空间探测在空间物理研究中的地位，决定了空间物理学的发展必定强烈地依赖于航天技术。,(4) 依赖于航天高技术的学科,5,3. 空间物理学的分支学科及其研究对象,空间物理学研究的内容主要是大气层和地外空间。,整个大气
3、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。,6,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。,
4、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。,7,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)。,8,中高层大气一般指平流层以上的大气层它除受地球太阳、月球等天体的引力作用外，上面受到来自太阳的各种波长的电磁辐射，以及来自太空的带电粒子的影响。下面受地球辐射和天气过得以及各种波动的影响
5、中高层大气物理学主要研究在这些外界因素的共同作用下的光化过程、电离过程、热力学过程、动力学过程。,(1) 中高层大气物理学,从离地面60 km处往上，来自太阳和太空的电磁辐射和带电粒子使高层大气电离，从而形成对无线电波传播有显著影响的电离层。电离层物理学主要研究电离层及其分层结构的形成机理、电离层的规则变化及电离层骚扰、无线电波在电离层中的传播过程等问题。,(2) 电离层物理学,9,磁层是地球通过磁场控制的空间区域。它是研究日地关系，探索太阳大气行星际介质磁层电离层中性大气耦合过程的重要环节。磁层又可进一步分为辐射带、等离子体层、环电流、磁尾、极隙区等区域。磁层物理学主要研究磁层的形成、磁层顶
6、的稳定性和太阳风进入磁层的机制、磁层扰动的原因和过程等问题。,(3) 磁层物理学,由太阳发射的超音速等离子体流(即太阳风)沿径向向外流动，将恒星际介质排斥于大约100个天文单位的距离之外，形成一个由太阳风和行星际磁场组成的区域，被称为日球。,(4) 日球物理学,10,日球物理学的主要研究课题就是日球的结构、等离子体激波的传播过程等。,宇宙线是指来自宇宙空间的高能粒子流。它们有的起源于银河系以外，有的起源于太阳，经过长途旅行，被地面上的或者地球附近的探测器所探测，它的能谱、方向和强度等特性反映了宇宙线源头和经过区域的物理性质，成为人们研究空间的一种工具。,(5) 宇宙线空间物理学,11,二、地球
7、大气层,1. 太阳电磁辐射与大气的相互作用,2. 电离层的形成及其对电波传播的影响,3. 极光,三、地外空间,1. 地球磁场,2. 带电粒子在磁场中的运动,3. 太阳的粒子辐射,4. 磁层,极光,12,四、空间物理学的研究方法,五、空间物理学研究的意义,空间物理学是一门研究空间物理状态和规律的基础学科，同时又是一门有广泛应用前景的学科。空间物理学的研究，对一个国家的国民经济建设和科学技术发展都有广泛影响，特别是对航天技术本身的完善和提高有重要意义。人类的航天活动要大量应用空间物理学的研究成果。,13,除了对航天器的直接影响以外，电离层对无线电波的传播的影响，造成短波通讯的中断；地磁场的剧烈变化，在供电系统中烧毁变压器而造成大面积、长时间的停电事故等，都是与国计民生有密切关系的空间物理问题。随着高技术的发展，空间环境对人类技术系统的影响也会越来越重要，解决这些问题也是空间物理学的任务。,
