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1、*,山東輕工業(yè)學(xué)院 數(shù)理學(xué)院,近代物理,概 論,空間環(huán)境科學(xué),*,第一章 質(zhì)點運動學(xué),物理學(xué),第五版,近代物理概論,山東輕工業(yè)學(xué)院,主講:劉玉波,1,空間環(huán)境科學(xué),一、,空間環(huán)境科學(xué)概述,環(huán)境,是指圍繞著人類的外部世界。是人類賴以生存和發(fā)展的社會和物質(zhì)條件的綜合體?？煞譃樽匀画h(huán)境和社會環(huán)境,。,研究環(huán)境的,目的,是利用環(huán)境，空間環(huán)境也不例外，利用空間環(huán)境為人類造福也是研究的重要目的,。,2,中性大氣對航天活動的影響：一是對航天器飛行軌道的影響。二是中性大氣中的原子氧成分對航天器表面的腐蝕作用。,1.,中性大氣環(huán)境,二、,空間環(huán)境要素,2.電離氣體等離子體環(huán)境,等離子體,是由等量的電子和正離子組

2、成的氣體，它和固體、液體、中性氣體并稱為物質(zhì)的四態(tài)。等離子體是宇宙的主要成分，占宇宙物質(zhì)的99%以上。,3,高能帶電粒子,是指能量極高的電子、質(zhì)子、離子和原子核。,3.,高能帶電粒子環(huán)境,來源于太陽的高能帶電粒子又稱,太陽宇宙線,。,磁場能控制帶電粒子的運動，在空間環(huán)境過程中磁場起很重要的作用。,4.,磁場環(huán)境,空間的電磁輻射主要來自太陽，它有很寬的能譜,從波長很長的無線電波到能量很高的,輻射。,5.,電磁輻射環(huán)境,4,空間天然的固體微粒是流星體，空間碎片是人為遺棄在空間的物體。,6.,固體微粒環(huán)境,三、,空間環(huán)境分區(qū),空太陽表面連續(xù)噴發(fā)出的等離子體以每秒數(shù)百公里到一千多公里的速度吹向地球，充

3、斥整個日地空間，被稱為“,太陽風(fēng),”，它所攜帶的太陽表面磁場形成了,行星際磁場,。,1.,太陽風(fēng)和行星際磁場,目前空間環(huán)境科學(xué)研究的空間范圍主要是太陽和地球之間的空間，一般稱為日地空間。,5,6,地磁場的分布近似為偶極子磁場，地球磁場不是平面磁場，它的邊界不是平面，而是形成一個被太陽風(fēng)包圍的區(qū)域，稱為“磁層”。在磁層內(nèi)磁場被壓縮，太陽風(fēng)不能進(jìn)入，在磁層外是太陽風(fēng)，地磁場被屏蔽,它們之間的界面為“磁層頂”。磁層形狀大致如圖6-3。,2.,地球的磁場和磁層,7,整個大氣層按照它的物理性質(zhì)可分為,對流層,、,平流層,、,中間層,、,熱層,和,外逸層,；按大氣成份可分為,均質(zhì)層,、,非均質(zhì)層,和,外逸

4、層,。,對流層,最靠近地面，它的主要特征是大氣的對流強(qiáng)烈，在對流層內(nèi)，高度越高，溫度越低。,3.,地球大氣,8,平流層,內(nèi)大氣比較平穩(wěn)，溫度隨高度的增加而增加，臭氧層是平流層內(nèi)的一個層次。,中間層,里大氣溫度再次隨高度的增加而降低，它的特點是光化反應(yīng)十分強(qiáng)烈，發(fā)生各種發(fā)光現(xiàn)象。,平流層和中間層以合稱中層。,熱層,其溫度又一次隨高度迅速增加，熱層變化十分復(fù)雜，因為影響熱層的因素非常多；另外在熱層頂溫度又趨于穩(wěn)定，不再隨高度變化。,均質(zhì)層,是指從地面到大約80km高度范圍內(nèi)的大氣,大氣的成分基本相同，平均分子量不隨高度變化。,9,非均質(zhì)層,成分隨高度有明顯的變化，主要成份為氮分子、氧原子、氦、氫等

5、，平均分子量隨高度逐漸降低。,外逸層,大氣的最外層，這里的大氣已經(jīng)十分稀薄,分子之間的碰撞可以忽略，如果分子的熱運動速度足夠大，它就有可能擺脫地球的引力而飛向宇宙空間。,另外，高層大氣中一部分氣體分子被電離，由這部分離子和電子組成了,電離層,。,空間物理學(xué)研究的另一部分是地外空間，包括,地球磁場,、太陽的粒子輻射和,太陽風(fēng),和地磁場的相互作用(,磁層,)。,10,四、,空間環(huán)境探測,1.,空間環(huán)境探測的手段,地基探測是將探測設(shè)備安放在地球表面對空間環(huán)境進(jìn)行的探測。,(1),地基探測,特點,：長期定點連續(xù)探測；隨地球運動過程可對一定的時間和空間范圍進(jìn)行探測；可以按需要組網(wǎng)；易維護(hù)、成本低；遙感方

6、式受大氣的影響。,火箭探測是近地空間探測的重要手段之一，它能把探測儀器帶到一百至幾千公里的高空進(jìn)行測量。,(2),火箭探測,11,天基探測是指以衛(wèi)星和其他軌道上的航天器為載體，在空間進(jìn)行的現(xiàn)場測量，或者用遙感的方法進(jìn)行的成像觀測。,(3),天基探測,特點,：直接探測；受航天技術(shù)制約，費用昂貴，研制周期長；高空間分辨率；對太陽的遙感成像不受大氣的干擾；大視野成像觀測。,2.,中性大氣探測,在數(shù)百公里高度處的高層大氣雖然已經(jīng)十分稀薄,但是對航天器的軌道仍然有阻尼作用，是航天器最后隕落的主要原因。,12,中性大氣的直接探測多采用電離真空規(guī)。它是一種通過對環(huán)境大氣收集取樣并用電離真空規(guī)測量大氣壓力換算

7、大氣密度的方法。,高層中性大氣成分探測主要采用質(zhì)譜計的方法。質(zhì)譜計通常用電子束離化大氣中的氣體樣品，再分析所產(chǎn)生的離子并測定樣品中包含的各種成分的濃度。,3.,中性大氣探測,一種是,電波法,，即利用空間等離子體對通過它傳播的電波的效應(yīng)進(jìn)行相關(guān)測量，給出空間等離子體的有關(guān)參量的探測空間等離子體的方法。,兩種測量方法：,13,目前帶電粒子的探測主要是利用它和物質(zhì)相互作用時發(fā)生的電離、激發(fā)效應(yīng)和切倫柯夫輻射。,依據(jù)所應(yīng)用的原理，電波法又可以劃分為短波雷達(dá)類、信標(biāo)類、散射雷達(dá)類等。,另一種是,探針法,，它從環(huán)境中得到電子或離子，由于電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子，且粒子能量相當(dāng)?shù)?，故產(chǎn)生的電流取決于探針?biāo)幍沫h(huán)境

8、及所加電位。它可用來測量等離子體的電子密度、電子溫度及離子參量。,4.,高能帶電粒子探測,14,常用的磁場探測儀器有磁通門磁強(qiáng)計、探測線圈、質(zhì)子旋進(jìn)磁強(qiáng)計、光泵磁強(qiáng)計。,5.,空間磁場探測,它們基本上可由地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和雷達(dá)等常規(guī)性儀器探測、追蹤并予以編目。,6.,空間碎片和微流星體探測,五、,空間環(huán)境模式研究,1.,目的和意義,編制空間環(huán)境分布模式的,目的,是用簡單實用的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述空間環(huán)境的平均分布狀態(tài)。,15,空間環(huán)境分布模式是以實際的探測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)編制的。,2.,方 法,早期的高層大氣數(shù)據(jù)主要靠衛(wèi)星軌道反演的方法得到。,3.,高層大氣模式,另一種模式是依據(jù)衛(wèi)星和火箭攜帶的質(zhì)譜計進(jìn)行的

9、直接測量和地面非相干散射雷達(dá)測量的結(jié)果建立的，稱為MSIS模式。,MET模式是NASA馬歇爾飛行中心工程用熱層模式。,16,空國際參考電離層(IRI)是一個全球的電離層經(jīng)驗?zāi)Ｊ?。它是利用全球地面分布著的幾百個電離層觀測站的長期觀測資料及衛(wèi)星觀測資料，由國際無線電科聯(lián)和空間研究委員會(URSI/COSPAR)聯(lián)合從20世紀(jì)60年代后期開始發(fā)展建立的。,4.,電離層模式,5.,高能帶電粒子模式,單向積分通量,定義為空間的單位面積上、在單位時間內(nèi)、來自某一方向的單位立體角內(nèi)、能量大于給定值的粒子數(shù)目：粒子/厘米,2,秒單位立體角。,(1),單位,17,全向積分通量,定義為空間的單位面積上、在單位時間

10、內(nèi)、來自所有方向的、能量大于給定值的粒子數(shù)目：粒子/厘米,2,秒。,單向微分通量,與單向積分通量相仿，指在單位能量間隔內(nèi)的粒子數(shù)：粒子/厘米,2,秒單位立體角單位能量(如 keV)。,全向微分通量,與全向積分通量相仿，指在單位能量間隔內(nèi)的粒子數(shù)：粒子/厘米,2,秒單位能量(如 keV)。,(2),銀河宇宙線模式,(3),太陽宇宙線模式,18,地球輻射帶的主要成分是電子和質(zhì)子，有少量的氦核和更少量的重元素的離子。分為輻射帶電子模型AE和輻射帶質(zhì)子模型AP，最新的是質(zhì)子模型AP8和電子模型AE8。,6.,地球輻射帶模式,19,地球磁場按其起源可分為,內(nèi)源場,和,外源場,。內(nèi)源場是地磁場中起源于地球

11、內(nèi)部的部分，它包括基本磁場和外源場變化時在地殼內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的磁場?；敬艌鍪堑厍蚬逃械拇艌?，起源于地核中的電流體系，是地磁場的主要部分，約占99%。基本磁場十分穩(wěn)定。外源場起源于地球附近的電流體系，包括電離層電流、環(huán)電流、場向電流、磁層頂電流及磁層內(nèi)其他電流的磁場。外源場由于各種原因而不斷變化，主要有磁靜日太陽日變化、太陰日變化，以及磁暴、亞暴、鉤擾等地磁擾動。,7.,空間磁場模式,20,21,流星體在空間的分布并不是均勻的。一些流星體是獨自運動的，其軌道也是隨機(jī)的，稱為,偶現(xiàn)流星體,。另有許多流星體密集在產(chǎn)生它們的母體的軌道附近，當(dāng)?shù)厍虼┻^這些區(qū)域時，地球及圍繞地球運行的空間站和其他航天器就會

12、遇到更多的流星撞擊，它們進(jìn)入大氣層后燃燒發(fā)光成為人們可看到的“,流星群,”(流星雨)。流星群的不規(guī)則的空間分布，造成在地球附近的流星通量隨時間變化。,8.,流星體模式,22,空間碎片模式包括空間碎片,分布模式,和空間碎片,演化模式,，分布模式將空間物體的軌道根數(shù)和其他特征的信息轉(zhuǎn)換為空間的分布，由此可以導(dǎo)出空間碎片通量、儀器探測率、碰撞概率等，幫助研究人員解釋測量軌道碎片實驗得到的數(shù)據(jù)，以及幫助設(shè)計者確定碎片對航天器的威脅，在航天工程上應(yīng)用廣泛，所以也叫做工程模式。空間碎片演化模式也稱為未來分布模式，用于了解觀測碎片數(shù)量的未來增長。,9.,空間碎片模式,23,(1)單一空間環(huán)境參量及相關(guān)模式的

13、集成,10.,模式集成,(2),多空間環(huán)境參數(shù)綜合模式集成,六、,空間環(huán)境預(yù)報,1.,空間環(huán)境預(yù)報的必要性,空間環(huán)境受太陽活動的影響，其狀態(tài)不斷發(fā)生變化，有時甚至是非常劇烈的變化。太陽活動既有長達(dá)以11年為周期的變化，也有短至十幾分鐘的爆發(fā)過程。這些變化導(dǎo)致航天器的運行軌道、姿態(tài)和壽命受到嚴(yán)重影響。因此，提前預(yù)報空間環(huán)境擾動，特別是預(yù)報災(zāi)害性空間環(huán)境擾動，以便采取相應(yīng)的防護(hù)措施和對策是非常重要和必要的。,24,2.,空間環(huán)境預(yù)報工作的主要內(nèi)容,空間環(huán)境預(yù)報工作涉及的面很寬，主要的工作可以歸納為以下幾個方面：,(1)數(shù)據(jù)獲??；(2),物理過程研究,；(3),基本規(guī)律和相關(guān)關(guān)系研究,；(4),預(yù)報

14、模式研究,；(5),預(yù)報的實施,。,3.,空間環(huán)境預(yù)報的分類,空間環(huán)境預(yù)報通?？煞譃殚L期預(yù)報(以年為單位)、中期預(yù)報(以太陽自轉(zhuǎn)周期27天為單位)、短期預(yù)報(13天)和警報(幾十分鐘到24小時內(nèi))等。,25,七、空間環(huán)境效應(yīng),1.,空間環(huán)境效應(yīng)研究方法,空間環(huán)境的效應(yīng)十分廣泛，是空間環(huán)境科學(xué)中和用戶關(guān)系最為密切的部分，比較重要的有空間環(huán)境對航天器的影響、對通訊導(dǎo)航的影響、對供電系統(tǒng)的影響、對輸油管道的影響、對軍事活動的影響等方面。,(1)天基試驗；(2),地基實驗室模擬,；,(3),計算機(jī)模擬,；,26,2.,高層大氣對航天器軌道的影響,3.,氧原子對航天器表面的化學(xué)作用,4.,高能帶電粒子對航天器的輻射效應(yīng),5.,空間等離子體與航天器充放電效應(yīng),6.,空間碎片和微流星體與航天器機(jī)械損傷效應(yīng),7.,等離子體對電波傳播的影響,27,