地球物理概论–空间物理-北大未名BBS.doc

地球科学概论空间物理部分提纲 关键词： 地球空间 – 高层大气、电离层、等离子体层、磁层 空间天气 太阳与太阳系 太阳系探索 ☆地球空间 一、地球空间概述 1、地球空间的定义：靠近行星地球的、受太阳辐射变化直接影响的空间区域。内边界大约距离地球表面60公里，外边界是太阳风与地磁场相互作用形成的。 2、地球空间内的物质：地球大气的一部分，从距离地面约60公里，扩展到几十个地球半径。地磁场（磁流体发电机△）。 二、地球大气层（只有平流层以上且不包括平流层的中高层大气才划入地球空间） 1、地球大气层次划分： a.对流层 – 平流层 – 中间层 – 热层【加热：太阳紫外线辐射和X射线（最重要）、带电粒子加热（高纬地区）、电离层电流加热（高纬地区）】 – 磁层（完全电离的大气）（大气层层次划分依据：温度的垂直变化） b.此外还有两个特殊的层，臭氧层、电离层 2、地球的大气层的大气密度日变率：40km-变化小 50km~100km变化中等 100+km随太阳活动和地磁活动剧烈变化 3、中高层大气（大气层中属于地球空间的） a.高层大气密度随太阳活动变化，原因：太阳紫外辐射增强，且被高层大气吸收 b.研究20～100公里的大气的重要性：亚轨道飞行器的飞行范围、载人航天器气动加热严重的区域、中程导弹飞行空间、亚轨道旅游、对地观测、军事侦察 三、电离层 1、什么是电离层：电离层是地球高层大气的一部分，因受太阳的紫外线、X射线和带电粒子辐射而电力。是地球大气中自由电子密度足以对无线电波传播产生显著影响的区域。 2、电离层的高度范围：60~1000km 3、电离层的基本特性是：a.具有足够数量的自由电子和离子，显著地影响电磁波传播b.电离度低（~1%），相当多的大气分子和原子未被电电离；电子和离子的运动还部分地受中性风的影响。 4、电离层的结构，电离层电子密度以及离子成分随高度的变化#分层结构与不匀称结构 ①电离层的分层结构：D 60~90km; E 90~160km; F 160km以上 fcritical=9×10-3√ EQ N WHRER N=electron density per cm3and fcriticalis in MHz. D层：主要电离源：太阳的拉曼α辐射和软X射线辐射/夜间D层基本消失/由于大气比较稠密，电子与中心粒子和离子的碰撞频繁，无线电波在这一层中的衰减严重/夜间D层基本消失。 E层：主要电离源：太阳紫外线和软X射线/电子密度峰值出现在105~110km之间/夜间E层的电子密度很低。 F层：是电离层中持久存在、电子密度极大所在的层次。分为F1和F2。 ②电离层的不规则性（不匀称结构）：a.高密度斑与低密度泡b.散见E层和扩散F 5、电离层扰动：太阳电磁辐射和粒子辐射的增强引起的电离层状态变化 6、突发电离层骚扰：太阳耀斑爆发出的X射线暴使得向阳面D区的电离密度急剧增加，短波和中波无线电信号立即衰落甚至完全中断。 7、电离层暴：地磁场发生全球性变化时，电离层状态发生的急剧变化称为电离层暴；正常形态打乱，使得通信适用频率的选择困难。 8、电磁波在电离层中的传播：a.直接视距传播（地波）b.地球表面与电离层D层之间多次反射传播（大气波导）c.在E层或F层反射传播（天波）d.穿过电离层（卫星通信） ①极低频与甚低频传播：极低频信号在地球和电离层之间所构成的“波导管”中传播，稳定可靠。【极低频波的特点：超视距传播，能穿入海水数百米【极低频通信系统缺点：系统极为庞大，天线效率极低，可能对四周环境造成有害影响，对电力线、电话线和电气设备等形成电磁干扰；费用昂贵 ②低频波传播（长波）： ③中频波传播（中波）：地波传播，主要用于导航、海上通信、调幅广播 ④高频波（短波）传播：天波，电离层反射，主要用于短波广播、电话、超视距雷达【fmaxf=fcritical/sinα，α=发射方向与水平方向夹角，同时存在最低频率限制（ALF），低于此频率将被D层吸收 ⑤超高频波传播：视距传播，用于卫星通信、雷达和移动通信 △影响电磁波传播的因素 电离层不均匀结构：电离层闪烁，信号相位变化，导致导航、定位误差，数字通讯误码，影响无线电波传播路径 电离层扰动、突发电离层骚扰和电离层暴：a.最高和最低可用频率变化b.飞行体跟踪、航天器测轨受影响c.信号被吸收、通讯中断d.导航、定位的精度受影响d.影响微波遥感e.时间同步问题 △电磁波在电离层中的反射 建立电离层的平板模型。 每层板的折射指数分别是n1, n2, n3等的薄板（但每个板有几个波长厚）， 将斯涅尔定律应用到每个边界，得到： sini0=n1sini1 n1sini1=n2sini2 n2sini2=n3sini3 …=… n（r-1）sini(r-1)=nrsin90°=