《空間環(huán)境科學(xué)》PPT課件

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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(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(huì)和物質(zhì)條件的綜合體?？煞譃樽匀画h(huán)境和社會(huì)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(duì)航天活動(dòng)的影響：一是對(duì)航天器飛行軌道的影響。二是中性大氣中的原子氧成分對(duì)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(lái)源于太陽(yáng)的高能帶電粒子又稱,太陽(yáng)宇宙線,。,磁場(chǎng)能控制帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，在空間環(huán)境過(guò)程中磁場(chǎng)起很重要的作用。,4.,磁場(chǎng)環(huán)境,空間的電磁輻射主要來(lái)自太陽(yáng)，它有很寬的能譜,從波長(zhǎng)很長(zhǎng)的無(wú)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(yáng)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(gè)日地空間，被稱為“,太陽(yáng)風(fēng),”，它所攜帶的太陽(yáng)表面磁場(chǎng)形成了,行星際磁場(chǎng),。,1.,太陽(yáng)風(fēng)和行星際磁場(chǎng),目前空間環(huán)境科學(xué)研究的空間范圍主要是太陽(yáng)和地球之間的空間，一般稱為日地空間。,5,6,地磁場(chǎng)的分布近似為偶極子磁場(chǎng)，地球磁場(chǎng)不是平面磁場(chǎng)，它的邊界不是平面，而是形成一個(gè)被太陽(yáng)風(fēng)包圍的區(qū)域，稱為“磁層”。在磁層內(nèi)磁場(chǎng)被壓縮，太陽(yáng)風(fēng)不能進(jìn)入，在磁層外是太陽(yáng)風(fēng)，地磁場(chǎng)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(chǎng)和磁層,7,整個(gè)大氣層按照它的物理性質(zhì)可分為,對(duì)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(duì)流層,最靠近地面，它的主要特征是大氣的對(duì)流強(qiáng)烈，在對(duì)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(gè)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(diǎn)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?yàn)橛绊憻釋拥囊蛩胤浅６啵涣硗庠跓釋禹敎囟扔众呌诜€(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(yùn)動(dòng)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(chǎng),、太陽(yáng)的粒子輻射和,太陽(yáng)風(fēng),和地磁場(chǎng)的相互作用(,磁層,)。,10,四、,空間環(huán)境探測(cè),1.,空間環(huán)境探測(cè)的手段,地基探測(cè)是將探測(cè)設(shè)備安放在地球表面對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行的探測(cè)。,(1),地基探測(cè),特點(diǎn),：長(zhǎng)期定點(diǎn)連續(xù)探測(cè)；隨地球運(yùn)動(dòng)過(guò)程可對(duì)一定的時(shí)間和空間范圍進(jìn)行探測(cè)；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(cè)是近地空間探測(cè)的重要手段之一，它能把探測(cè)儀器帶到一百至幾千公里的高空進(jìn)行測(cè)量。,(2),火箭探測(cè),11,天基探測(cè)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(chǎng)測(cè)量，或者用遙感的方法進(jìn)行的成像觀測(cè)。,(3),天基探測(cè),特點(diǎn),：直接探測(cè)；受航天技術(shù)制約，費(fèi)用昂貴，研制周期長(zhǎng)；高空間分辨率；對(duì)太陽(yáng)的遙感成像不受大氣的干擾；大視野成像觀測(cè)。,2.,中性大氣探測(cè),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(duì)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(cè)多采用電離真空規(guī)。它是一種通過(guò)對(duì)環(huán)境大氣收集取樣并用電離真空規(guī)測(cè)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(cè)主要采用質(zhì)譜計(jì)的方法。質(zhì)譜計(jì)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(cè)定樣品中包含的各種成分的濃度。,3.,中性大氣探測(cè),一種是,電波法,，即利用空間等離子體對(duì)通過(guò)它傳播的電波的效應(yīng)進(jìn)行相關(guān)測(cè)量，給出空間等離子體的有關(guān)參量的探測(cè)空間等離子體的方法。,兩種測(cè)量方法：,13,目前帶電粒子的探測(cè)主要是利用它和物質(zhì)相互作用時(shí)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?lè)?，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(lái)測(cè)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(cè),14,常用的磁場(chǎng)探測(cè)儀器有磁通門磁強(qiáng)計(jì)、探測(cè)線圈、質(zhì)子旋進(jìn)磁強(qiáng)計(jì)、光泵磁強(qiáng)計(jì)。,5.,空間磁場(chǎng)探測(cè),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(cè)、追蹤并予以編目。,6.,空間碎片和微流星體探測(cè),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(jiǎn)單實(shí)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(shí)際的探測(cè)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(jì)進(jìn)行的

9、直接測(cè)量和地面非相干散射雷達(dá)測(cè)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(guó)際參考電離層(IRI)是一個(gè)全球的電離層經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。它是利用全球地面分布著的幾百個(gè)電離層觀測(cè)站的長(zhǎng)期觀測(cè)資料及衛(wèi)星觀測(cè)資料，由國(guó)際無(wú)線電科聯(lián)和空間研究委員會(huì)(URSI/COSPAR)聯(lián)合從20世紀(jì)60年代后期開(kāi)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(shí)間內(nèi)、來(lái)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(shí)間

10、內(nèi)、來(lái)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(yáng)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(chǎng)按其起源可分為,內(nèi)源場(chǎng),和,外源場(chǎng),。內(nèi)源場(chǎng)是地磁場(chǎng)中起源于地球

11、內(nèi)部的部分，它包括基本磁場(chǎng)和外源場(chǎng)變化時(shí)在地殼內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。基本磁場(chǎng)是地球固有的磁場(chǎng)，起源于地核中的電流體系，是地磁場(chǎng)的主要部分，約占99%。基本磁場(chǎng)十分穩(wěn)定。外源場(chǎng)起源于地球附近的電流體系，包括電離層電流、環(huán)電流、場(chǎng)向電流、磁層頂電流及磁層內(nèi)其他電流的磁場(chǎng)。外源場(chǎng)由于各種原因而不斷變化，主要有磁靜日太陽(yáng)日變化、太陰日變化，以及磁暴、亞暴、鉤擾等地磁擾動(dòng)。,7.,空間磁場(chǎng)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(dú)自運(yùn)動(dòng)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┻^(guò)這些區(qū)域時(shí)，地球及圍繞地球運(yùn)行的空間站和其他航天器就會(huì)

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(shí)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(cè)率、碰撞概率等，幫助研究人員解釋測(cè)量軌道碎片實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，以及幫助設(shè)計(jì)者確定碎片對(duì)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?？臻g碎片演化模式也稱為未來(lái)分布模式，用于了解觀測(cè)碎片數(shù)量的未來(lái)增長(zhǎng)。,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(bào),1.,空間環(huán)境預(yù)報(bào)的必要性,空間環(huán)境受太陽(yáng)活動(dòng)的影響，其狀態(tài)不斷發(fā)生變化，有時(shí)甚至是非常劇烈的變化。太陽(yáng)活動(dòng)既有長(zhǎng)達(dá)以11年為周期的變化，也有短至十幾分鐘的爆發(fā)過(guò)程。這些變化導(dǎo)致航天器的運(yùn)行軌道、姿態(tài)和壽命受到嚴(yán)重影響。因此，提前預(yù)報(bào)空間環(huán)境擾動(dòng)，特別是預(yù)報(bào)災(zāi)害性空間環(huán)境擾動(dòng)，以便采取相應(yīng)的防護(hù)措施和對(duì)策是非常重要和必要的。,24,2.,空間環(huán)境預(yù)報(bào)工作的主要內(nèi)容,空間環(huán)境預(yù)報(bào)工作涉及的面很寬，主要的工作可以歸納為以下幾個(gè)方面：,(1)數(shù)據(jù)獲?。?2),物理過(guò)程研究,；(3),基本規(guī)律和相關(guān)關(guān)系研究,；(4),預(yù)報(bào)

14、模式研究,；(5),預(yù)報(bào)的實(shí)施,。,3.,空間環(huán)境預(yù)報(bào)的分類,空間環(huán)境預(yù)報(bào)通?？煞譃殚L(zhǎng)期預(yù)報(bào)(以年為單位)、中期預(yù)報(bào)(以太陽(yáng)自轉(zhuǎn)周期27天為單位)、短期預(yù)報(bào)(13天)和警報(bào)(幾十分鐘到24小時(shí)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(duì)航天器的影響、對(duì)通訊導(dǎo)航的影響、對(duì)供電系統(tǒng)的影響、對(duì)輸油管道的影響、對(duì)軍事活動(dòng)的影響等方面。,(1)天基試驗(yàn)；(2),地基實(shí)驗(yàn)室模擬,；,(3),計(jì)算機(jī)模擬,；,26,2.,高層大氣對(duì)航天器軌道的影響,3.,氧原子對(duì)航天器表面的化學(xué)作用,4.,高能帶電粒子對(duì)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(duì)電波傳播的影響,27,