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太空探索SpaceExploring第一篇太空概览第二章地球空间

本节重点：地球的磁层极光现象辐射带磁暴及其效应

地球磁场近地空间的地磁场，象一个均匀磁化球体或磁棒的磁场，其强度在地面两极附近还不到1高斯,所以地磁场是非常弱的磁场。地磁场虽然很弱，但却延伸到很大的空间。它犹如一个幔帐，保护着地球上的生物和人类，使之免受宇宙辐射的侵害。

太阳风与地磁场相互作用产生磁层1931年，查普曼（S.Chapman）和佛罗伦（V.Ferraro）在Nature上发表文章，为解释磁暴阐述了磁层概念。他们推测太阳常常喷发出由带电粒子组成的微粒流，而在微粒流经过地球时，带电粒子受到地磁场的偏转作用，形成一个被它包围的空腔。

磁层结构：弓激波、磁鞘、磁层顶、磁尾、极尖区、等离子体幔、等离子体片、

环电流、

辐射带。向日面地

心距离约

10RE，

背日面地

心距离约

200RE

弓激波太阳宁静的时候，地球轨道附近的太阳风平均速度也高达300～400公里/秒，而这里的阿尔文波速和声速只有30～40公里/秒左右。因此，当这个超音速的等离子体流受到磁层阻挡时，在磁层的上游方向约几个地球半径处，形成一个相对磁层顶静止的弓形驻激波，称为弓激波。太阳风等离子体通过弓激波后，经压缩和加热，充满弓激波和磁层顶之间的空间，形成磁鞘。

磁层顶磁层的最外的边界层。它位置一般用它两侧的总压力平衡条件来推算。太阳风平静时磁层顶在日地联线上离地心的距离大约为10个地球半径。太阳风在发生激烈扰动的时候，密度和速度都可能大大增强，磁层的体积亦随之被大大压缩，这时日地联线上的磁层顶位置可能退缩到离地心只有6-7个地球半径的地方。

内磁层辐射带：高能粒子环电流：能量粒子等离子体层：冷等离子体磁尾等离子体片尾瓣边界层极尖区磁层幔区

带电粒子在均匀磁场中的运动会有一些带电粒子进入磁层或由电离层上行。在洛伦兹力作用下做回旋运动

速度越大，回旋半径越大；磁场越强，回旋半径越小；当有平行于磁场的速度分量时，粒子运动轨迹是螺旋线带电粒子运动特征

粒子在地磁场中的运动地磁场的位形就象磁镜，在南北两极磁场强（磁力线密集），在赤道面磁场弱。粒子运动到一定纬度后将反弹，反弹点称为镜点；粒子在南北两半球镜点间来回跳动；弹跳周期不变

粒子沉降粒子被反射的点称磁镜点；如果入射粒子接近与磁场平行，磁镜点降低，若低于100km，则粒子在反射之前就与大气分子相撞，称粒子沉降。

极光（aurora）---人们能看到的最美丽、最不可思议的自然现象来自磁层的带电粒子沉降，撞击高层大气的分子或原子，激发的绚丽多彩的发光现象；主要发生在高磁纬地区，70至1000km的范围内。

带电粒子与较低的高度大气分子相撞，产生极光。极光是地球大气高层的气体分子或原子受來自太阳的高能电子碰撞后发射的。分子或原子受电子碰撞后，会被激发至较高的能态，甚至被电离。當离子重新俘获电子，回到基态的時候，便会被发射某些拥有特定波长的光波。

极光形成的过程

极光活动就像磁层活动的实况电视画面沉降粒子极区大气层极光地球磁层

极光分为弥漫型极光和分离型极光极光的形态（弧、带、纹、幕）

从太空看极光

Theta(θ)极光,极盖区极光

紫外极光用紫外线成像仪在卫星上拍摄的极光照片

X射线极光在Polar卫星

上用X射线成

像仪拍摄。

中山站彩色全天空极光相机

黄河站极光三波段全天空成像仪

北极黄河站极光胡泽骏2012-10-24

极区边界极光弧分立极光弥散极光脉动极光

共轭极光

极光按颜色分类Typea–上边界为深红色Typeb–下边界为洋红色Typec–绿色弧形Typed–整片红色Typee–下边界为洋红色和绿色Typef–蓝色和紫色

大气成分(N2,O,O2,N)带电粒子的种类(Protons,Electrons)带电粒子的能量(100eV-keV)

TypebMagentaLowerBorder

TypecNormalGreen,Gray

TypedGreatRedAurora

TypefBlueorPurpleSunlitAurora

极光与太阳活动密切相关由极光频谱可判断沉降粒子种类由极光区分布可判断太阳活动和地磁活动程度研究极光的意义

本太阳活动周最强的一次地磁暴2015年3月17日，地球磁场发生剧烈扰动，地磁Ap指数达到110左右，Dst指数下降至-200nT以下，这是第24太阳活动周以来最强的一次地磁暴。全世界的高纬度地区来了一场20年来最强大的极光爆发。极光覆盖了中纬度的地区和国家

北爱尔兰海岸

苏格兰

威尔士

冰岛芬兰瑞典

南半球新西兰

俄罗斯城市法国北部城市

2015年10月10日快速太阳风导致的极光