第一讲 内容概要+近地空间环境.ppt

Radio Wave Propagation 无线电波传播 第一讲 内容概要 电波传播环境与近地空间 电磁波与无线电波 自然界人为或自然产生的电磁波通过各种不同媒质传播的过程，称为无线电波传播。 电波传播方式 地球高层大气的垂直分层结构 中性大气的垂直分层 对流层：温度以每公里大约10?的梯度随高度递降，直至10-12 km，达到温度极小值，对应对流层顶。 平流层：又称同温层，事实上，平流层的温度随高度上升而平缓增高，由于臭氧对太阳紫外辐射的吸收，在约50 km高度有一个温度极大值，对应平流层顶。 中层：温度再次随高度而递降，至80-85 km，又出现一个温度极小值，对应中层顶。 热层：中层之上，太阳紫外辐射导致温度梯度为正值，称作热层。随高度上升，最终热层温度仅随时间变化而基本上不随高度变化，同时温度很高，一般达到1000?K以上，这是大气层最热的部分。 电离层和磁层 地球电离层指地球高层大气中被部分电离的区域，通常指地面以上60-1000公里的高度范围。按照国际无线电工程师协会(IRE)的定义，电离层是地面60km以上到磁层顶之间的整个空间，在那里“存在着大量的自由电子，足以影响无线电波的传播”；而磁层则是“地磁场对电子运动有决定性影响的那部分电离层”。电离层与磁层没有明确的分界，通常把1000公里作为电离层上边界。 电离气体和中性气体密度的高度变化 地球磁层示意图 一些标志性发现和重要物理过程 电离层的发现 自从1901年Marconi成功进行了跨越大西洋的无线电传输试验，科学工作者就开始解释电波传播的方式。 1902年，Kennely与Heaviside独立提出存在一个由自由电荷组成的、能反射电磁波的导电层。对于这种导电层的理论，存在了近20年的争议。 1924年Appleton和Barnet利用无线电波实验， 证明电离层的存在，并确定了电离层的高度。1925年Breit和Tuve确认了Appleton的实验，并研制出最早的电离层无线电探测设备：垂测仪，一直沿用至今。 电离层的发现 电离层的发现成为空间物理学发端的标志。 在电离层的发现和无线电波传播理论的 发展中，Appleton的贡献最为突出。 因为他的“对于外层大气物理现象的探索，特别是阿普尔顿层的发现”，Appleton于1947年荣获 诺贝尔物理学奖 空间物理学研究领域的唯一诺贝尔奖获得者 太阳风的发现 大约100年前，人们发现在太阳出现大耀斑之后1-2天，地磁场会发生显著变化，从而认识到太阳有动力学输出的第一个证据。这1-2天的滞后时间表明在日地之间的运行速度约为1000km/s，这使人们想到这种输出可能是太阳的粒子发射。 1930-31年，Chapman和Ferraro提出从太阳偶尔 发射出的粒子流会压缩地磁场，地磁场在太阳风中形成一个地磁空腔，后来叫做“磁层”。 1958年Parker理论上证明太阳大气是连续不断地向外膨胀的。1959年“月球1号”卫星首次测到太阳风，1961年“探索者10号”也观测到太阳风。 磁层的一系列重要发现 1957年10月4号，前苏联发射第一颗人造卫星Sputnik-I。1958年初美国发射了“探索者1号”卫星，之后一大批人造卫星发射升空。 1958年“探索者1号”发现地磁赤道上空有一个高能质子密集带，也就是内辐射带（Van Allen Belt），同年“先锋3号”发现外辐射带。1959年LUNIK-2卫星发现等离子体层，1968年OGO-1和OGO-3卫星观测到磁层等离子体片。 1962年“探索者12号”观测到磁层顶，1963年IMP-1卫星做出第一幅磁尾结构图，1983年ISEE-3卫星探测到远磁尾。 磁层结构示意图 日地能量传输 1961年Dungey首次提出磁层顶的磁场重联理论，认为地磁场和起源于太阳的行星际磁场在特定条件下可以互相联通，形成开放磁力线，太阳风通过开放磁力线向地球空间传输物质和能量，这对于理解日地能量传输过程 至关重要。 1978-1979年，ISEE系列卫星证实了向阳面磁层顶的稳态重联过程，并发现瞬时重联产生的通量传输事件。 地球磁层中的对流 能量储存和耗散 太阳风与磁层相互作用过程中，太阳风的动能不断向磁层输运，并以磁能形式储存在磁尾。 在背阳面，磁力线被拉伸成尾状，处于不稳定位型，在一定条件下，这些输入的能量会突然释放，以激烈的方式耗散，极光带电离层、磁层和等离子体层以及磁尾整体受扰，表现出光、电磁、等离子体等多方面现象。亚暴就是这种磁层能量释放的过程，是磁尾的一种激烈而频繁的运动形式。 极 光 磁尾的高能粒子（主要是电子）沉降到极区电离层高度，撞击中性大气，使其产生受激辐射而发光。极光一般发生在极区100-400公里高度，经常出现产生极光的区域形成一个环状的带，