空间环境科学优秀PPT.ppt

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1、山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学空间环境科学空间环境科学一、一、空间环境科学概述空间环境科学概述 环境是指围围着人类的外部世界。是人类赖以生环境是指围围着人类的外部世界。是人类赖以生存和发展的社会和物质条件的综合体。可分为自然环存和发展的社会和物质条件的综合体。可分为自然环境和社会环境。境和社会环境。探讨环境的目的是利用环境，空间环境也不例外，探讨环境的目的是利用环境，空间环境也不例外，利用空间环境为人类造福也是探讨的重要目的。利用空间环境为人类造福也是探讨的重要目的。1山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物

2、理概概 论论空间环境科学空间环境科学 中性大气对航天活动的影响：一是对航天器飞行中性大气对航天活动的影响：一是对航天器飞行轨道的影响。二是中性大气中的原子氧成分对航天器轨道的影响。二是中性大气中的原子氧成分对航天器表面的腐蚀作用。表面的腐蚀作用。1.中性大气环境中性大气环境 二、二、空间环境要素空间环境要素 2.电离气体电离气体等离子体环境等离子体环境 等离子体等离子体是由等量的电子和正离子组成的气体，是由等量的电子和正离子组成的气体，它和固体、液体、中性气体并称为物质的四态。等离它和固体、液体、中性气体并称为物质的四态。等离子体是宇宙的主要成分，占宇宙物质的子体是宇宙的主要成分，占宇宙物质的

3、99%以上。以上。2山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 高能带电粒子高能带电粒子是指能量极高的电子、质子、离子是指能量极高的电子、质子、离子和原子核。和原子核。3.高能带电粒子环境高能带电粒子环境 来源于太阳的高能带电粒子又称来源于太阳的高能带电粒子又称太阳宇宙线太阳宇宙线。磁场能限制带电粒子的运动，在空间环境过程中磁场能限制带电粒子的运动，在空间环境过程中磁场起很重要的作用。磁场起很重要的作用。4.磁场环境磁场环境 空间的电磁辐射主要来自太阳，它有很宽的能谱空间的电磁辐射主要来自太阳，它有很宽的能谱,从波长很长的无线电波到能量很高

4、的从波长很长的无线电波到能量很高的辐射。辐射。5.电磁辐射环境电磁辐射环境 3山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 空间自然的固体微粒是流星体，空间碎片是人为空间自然的固体微粒是流星体，空间碎片是人为遗弃在空间的物体。遗弃在空间的物体。6.固体微粒环境固体微粒环境 三、三、空间环境分区空间环境分区 空太阳表面连续喷发出的等离子体以每秒数百公空太阳表面连续喷发出的等离子体以每秒数百公里到一千多公里的速度吹向地球，充斥整个日地空间，里到一千多公里的速度吹向地球，充斥整个日地空间，被称为被称为“太阳风太阳风”，它所携带的太阳表面磁场形成了，

5、它所携带的太阳表面磁场形成了行星际磁场行星际磁场。1.太阳风和行星际磁场太阳风和行星际磁场 目前空间环境科学探讨的空间范围主要是太阳和目前空间环境科学探讨的空间范围主要是太阳和地球之间的空间，一般称为日地空间。地球之间的空间，一般称为日地空间。4山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学5山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 地磁场的分布近似为偶极子磁场，地球磁场不是地磁场的分布近似为偶极子磁场，地球磁场不是平面磁场，它的边界不是平面，而是形成一个被太阳平面磁场，它的边界不是平面，

6、而是形成一个被太阳风包围的区域，称为风包围的区域，称为“磁层磁层”。在磁层内磁场被压缩，。在磁层内磁场被压缩，太阳风不能进入，在磁层外是太阳风，地磁场被屏蔽太阳风不能进入，在磁层外是太阳风，地磁场被屏蔽,它们之间的界面为它们之间的界面为“磁层顶磁层顶”。磁层形态大致如图。磁层形态大致如图6-3。2.地球的磁场和磁层地球的磁场和磁层 6山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 整个大气层依据它整个大气层依据它的物理性质可分为对流的物理性质可分为对流层、平流层、中间层、层、平流层、中间层、热层和外逸层；按大气热层和外逸层；按大气成份可分为均质

7、层、非成份可分为均质层、非均质层和外逸层。均质层和外逸层。对流层最靠近地面，对流层最靠近地面，它的主要特征是大气的它的主要特征是大气的对流猛烈，在对流层内，对流猛烈，在对流层内，高度越高，温度越低。高度越高，温度越低。3.地球大气地球大气 7山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 平流层平流层内大气比较平稳，温度随高度的增加而增内大气比较平稳，温度随高度的增加而增加，臭氧层是平流层内的一个层次。加，臭氧层是平流层内的一个层次。中间层里大气温度再次随高度的增加而降低，它中间层里大气温度再次随高度的增加而降低，它的特点是光化反应特别猛烈，发

8、生各种发光现象。的特点是光化反应特别猛烈，发生各种发光现象。平流层和中间层以合称中层。平流层和中间层以合称中层。热层其温度又一次随高度快速增加，热层变更特热层其温度又一次随高度快速增加，热层变更特别困难，因为影响热层的因素特别多；另外在热层顶别困难，因为影响热层的因素特别多；另外在热层顶温度又趋于稳定，不再随高度变更。温度又趋于稳定，不再随高度变更。均质层是指从地面到大约均质层是指从地面到大约80km高度范围内的大气高度范围内的大气,大气的成分基本相同，平均分子量不随高度变更。大气的成分基本相同，平均分子量不随高度变更。8山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论

9、空间环境科学空间环境科学 非均质层成分随高度有明显的变更，主要成份为非均质层成分随高度有明显的变更，主要成份为氮分子、氧原子、氦、氢等，平均分子量随高度渐渐氮分子、氧原子、氦、氢等，平均分子量随高度渐渐降低。降低。外逸层大气的最外层，这里的大气已经特别淡薄外逸层大气的最外层，这里的大气已经特别淡薄,分子之间的碰撞可以忽视，假如分子的热运动速度足分子之间的碰撞可以忽视，假如分子的热运动速度足够大，它就有可能摆脱地球的引力而飞向宇宙空间。够大，它就有可能摆脱地球的引力而飞向宇宙空间。另外，高层大气中一部分气体分子被电离，由这另外，高层大气中一部分气体分子被电离，由这部分别子和电子组成了电离层。部分

10、别子和电子组成了电离层。空间物理学探讨的另一部分是地外空间，包括地空间物理学探讨的另一部分是地外空间，包括地球磁场、太阳的粒子辐射和太阳风和地磁场的相互作球磁场、太阳的粒子辐射和太阳风和地磁场的相互作用用(磁层磁层)。9山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学四、四、空间环境探测空间环境探测 1.空间环境探测的手段空间环境探测的手段 地基探测是将探测设备安放在地球表面对空间环地基探测是将探测设备安放在地球表面对空间环境进行的探测。境进行的探测。(1)地基探测地基探测 特点：长期定点连续探测；随地球运动过程可对特点：长期定点连续探测；随地球

11、运动过程可对确定的时间和空间范围进行探测；可以按须要组网；确定的时间和空间范围进行探测；可以按须要组网；易维护、成本低；遥感方式受大气的影响。易维护、成本低；遥感方式受大气的影响。火箭探测是近地空间探测的重要手段之一，它能火箭探测是近地空间探测的重要手段之一，它能把探测仪器带到一百至几千公里的高空进行测量。把探测仪器带到一百至几千公里的高空进行测量。(2)火箭探测火箭探测 10山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 天基探测是指以卫星和其他轨道上的航天器为载天基探测是指以卫星和其他轨道上的航天器为载体，在空间进行的现场测量，或者用遥感的

12、方法进行体，在空间进行的现场测量，或者用遥感的方法进行的成像观测。的成像观测。(3)天基探测天基探测 特点：干脆探测；受航天技术制约，费用昂贵，特点：干脆探测；受航天技术制约，费用昂贵，研制周期长；高空间辨别率；对太阳的遥感成像不受研制周期长；高空间辨别率；对太阳的遥感成像不受大气的干扰；大视野成像观测。大气的干扰；大视野成像观测。2.中性大气探测中性大气探测 在数百公里高度处的高层大气虽然已经特别淡薄在数百公里高度处的高层大气虽然已经特别淡薄,但是对航天器的轨道仍旧有阻尼作用，是航天器最终但是对航天器的轨道仍旧有阻尼作用，是航天器最终陨落的主要缘由。陨落的主要缘由。11山东轻工业学院山东轻工

13、业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 中性大气的干脆探测多接受电离真空规。它是一中性大气的干脆探测多接受电离真空规。它是一种通过对环境大气收集取样并用电离真空规测量大气种通过对环境大气收集取样并用电离真空规测量大气压力换算大气密度的方法。压力换算大气密度的方法。高层中性大气成分探测主要接受质谱计的方法。高层中性大气成分探测主要接受质谱计的方法。质谱计通常用电子束离化大气中的气体样品，再分析质谱计通常用电子束离化大气中的气体样品，再分析所产生的离子并测定样品中包含的各种成分的浓度。所产生的离子并测定样品中包含的各种成分的浓度。3.中性大气探测中性大气探测 一

14、种是一种是电波法电波法，即利用空间等离子体对通过它传，即利用空间等离子体对通过它传播的电波的效应进行相关测量，给出空间等离子体的播的电波的效应进行相关测量，给出空间等离子体的有关参量的探测空间等离子体的方法。有关参量的探测空间等离子体的方法。两种测量方法：两种测量方法：12山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 目前带电粒子的探测主要是利用它和物质相互作目前带电粒子的探测主要是利用它和物质相互作用时发生的电离、激发效应和切伦柯夫辐射。用时发生的电离、激发效应和切伦柯夫辐射。依据所应用的原理，电波法又可以划分为短波雷依据所应用的原理，电波

15、法又可以划分为短波雷达类、信标类、散射雷达类等。达类、信标类、散射雷达类等。另一种是另一种是探针法探针法，它从环境中得到电子或离子，它从环境中得到电子或离子，由于电子质量远小于离子，且粒子能量相当低，故产由于电子质量远小于离子，且粒子能量相当低，故产生的电流取决于探针所处的环境及所加电位。它可用生的电流取决于探针所处的环境及所加电位。它可用来测量等离子体的电子密度、电子温度及离子参量。来测量等离子体的电子密度、电子温度及离子参量。4.高能带电粒子探测高能带电粒子探测 13山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 常用的磁场探测仪器有磁通门

16、磁强计、探测线常用的磁场探测仪器有磁通门磁强计、探测线圈、质子旋进磁强计、光泵磁强计。圈、质子旋进磁强计、光泵磁强计。5.空间磁场探测空间磁场探测 它们基本上可由地面光学望远镜和雷达等常规它们基本上可由地面光学望远镜和雷达等常规性仪器探测、追踪并予以编目。性仪器探测、追踪并予以编目。6.空间碎片和微流星体探测空间碎片和微流星体探测 五、空间环境模式探讨五、空间环境模式探讨 1.目的和意义目的和意义 编制空间环境分布模式的目的是用简洁好用的数编制空间环境分布模式的目的是用简洁好用的数学表达式描述空间环境的平均分布状态。学表达式描述空间环境的平均分布状态。14山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院

17、数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 空间环境分布模式是以实际的探测数据为基础空间环境分布模式是以实际的探测数据为基础编制的。编制的。2.方方 法法 早期的高层大气数据主要靠卫星轨道反演的方早期的高层大气数据主要靠卫星轨道反演的方法得到。法得到。3.高层大气模式高层大气模式 另一种模式是依据卫星和火箭携带的质谱计进另一种模式是依据卫星和火箭携带的质谱计进行的干脆测量和地面非相干散射雷达测量的结果建行的干脆测量和地面非相干散射雷达测量的结果建立的，称为立的，称为MSIS模式。模式。MET模式是模式是NASA马歇尔飞行中心工程用热层马歇尔飞行中心工程用热层模式。模式。15山东

18、轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 空国际参考电离层空国际参考电离层(IRI)是一个全球的电离层阅是一个全球的电离层阅历模式。它是利用全球地面分布着的几百个电离层历模式。它是利用全球地面分布着的几百个电离层观测站的长期观测资料及卫星观测资料，由国际无观测站的长期观测资料及卫星观测资料，由国际无线电科联和空间探讨委员会线电科联和空间探讨委员会(URSI/COSPAR)联合从联合从20世纪世纪60年头后期起先发展建立的。年头后期起先发展建立的。4.电离层模式电离层模式 5.高能带电粒子模式高能带电粒子模式 单向积分通量单向积分通量 定义为空

19、间的单位面积上、在单位时间定义为空间的单位面积上、在单位时间内、来自某一方向的单位立体角内、能量大于给定值内、来自某一方向的单位立体角内、能量大于给定值的粒子数目：粒子的粒子数目：粒子/厘米厘米2秒秒单位立体角。单位立体角。(1)单位单位 16山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 全向积分通量全向积分通量 定义为空间的单位面积上、在单定义为空间的单位面积上、在单位时间内、来自全部方向的、能量大于给定值的粒位时间内、来自全部方向的、能量大于给定值的粒子数目：粒子子数目：粒子/厘米厘米2秒。秒。单向微分通量单向微分通量 与单向积分通量相仿

20、，指在单位与单向积分通量相仿，指在单位能量间隔内的粒子数：粒子能量间隔内的粒子数：粒子/厘米厘米2秒秒单位立体角单位立体角单位能量单位能量(如如 keV)。全向微分通量全向微分通量 与全向积分通量相仿，指在单位与全向积分通量相仿，指在单位能量间隔内的粒子数：粒子能量间隔内的粒子数：粒子/厘米厘米2 秒秒单位能量单位能量(如如 keV)。(2)银河宇宙线模式银河宇宙线模式(3)太阳宇宙线模式太阳宇宙线模式 17山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 地球辐射带的主要成分是电子和质子，有少量地球辐射带的主要成分是电子和质子，有少量的氦核和更

21、少量的重元素的离子。分为辐射带电子的氦核和更少量的重元素的离子。分为辐射带电子模型模型AE和辐射带质子模型和辐射带质子模型AP，最新的是质子模型，最新的是质子模型AP8和电子模型和电子模型AE8。6.地球辐射带模式地球辐射带模式 18山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 地球磁场按其起源可分为内源场和外源场。内地球磁场按其起源可分为内源场和外源场。内源场是地磁场中起源于地球内部的部分，它包括基源场是地磁场中起源于地球内部的部分，它包括基本磁场和外源场变更时在地壳内感应产生的磁场。本磁场和外源场变更时在地壳内感应产生的磁场。基本磁场是地

22、球固有的磁场，起源于地核中的电流基本磁场是地球固有的磁场，起源于地核中的电流体系，是地磁场的主要部分，约占体系，是地磁场的主要部分，约占99%。基本磁场。基本磁场特别稳定。外源场起源于地球旁边的电流体系，包特别稳定。外源场起源于地球旁边的电流体系，包括电离层电流、环电流、场向电流、磁层顶电流及括电离层电流、环电流、场向电流、磁层顶电流及磁层内其他电流的磁场。外源场由于各种缘由而不磁层内其他电流的磁场。外源场由于各种缘由而不断变更，主要有磁静日太阳日变更、太阴日变更，断变更，主要有磁静日太阳日变更、太阴日变更，以及磁暴、亚暴、钩扰等地磁扰动。以及磁暴、亚暴、钩扰等地磁扰动。7.空间磁场模式空间磁

23、场模式 19山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学20山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 流星体在空间的分布并不是匀整的。一些流星流星体在空间的分布并不是匀整的。一些流星体是独自运动的，其轨道也是随机的，称为偶现流体是独自运动的，其轨道也是随机的，称为偶现流星体。另有很多流星体密集在产生它们的母体的轨星体。另有很多流星体密集在产生它们的母体的轨道旁边，当地球穿过这些区域时，地球及围绕地球道旁边，当地球穿过这些区域时，地球及围绕地球运行的空间站和其他航天器就会遇到更多的流星撞运

24、行的空间站和其他航天器就会遇到更多的流星撞击，它们进入大气层后燃烧发光成为人们可看到的击，它们进入大气层后燃烧发光成为人们可看到的“流星群流星群”(流星雨流星雨)。流星群的不规则的空间分布，。流星群的不规则的空间分布，造成在地球旁边的流星通量随时间变更。造成在地球旁边的流星通量随时间变更。8.流星体模式流星体模式 21山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 空间碎片模式包括空间碎片分布模式和空间碎空间碎片模式包括空间碎片分布模式和空间碎片演化模式，分布模式将空间物体的轨道根数和其片演化模式，分布模式将空间物体的轨道根数和其他特征的信息转

25、换为空间的分布，由此可以导出空他特征的信息转换为空间的分布，由此可以导出空间碎片通量、仪器探测率、碰撞概率等，帮助探讨间碎片通量、仪器探测率、碰撞概率等，帮助探讨人员说明测量轨道碎片试验得到的数据，以及帮助人员说明测量轨道碎片试验得到的数据，以及帮助设计者确定碎片对航天器的威逼，在航天工程上应设计者确定碎片对航天器的威逼，在航天工程上应用广泛，所以也叫做工程模式。空间碎片演化模式用广泛，所以也叫做工程模式。空间碎片演化模式也称为将来分布模式，用于了解观测碎片数量的将也称为将来分布模式，用于了解观测碎片数量的将来增长。来增长。9.空间碎片模式空间碎片模式 22山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学

26、院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学 (1)单一空间环境参量及相关模式的集成单一空间环境参量及相关模式的集成 10.模式集成模式集成 (2)多空间环境参数综合模式集成多空间环境参数综合模式集成 六、六、空间环境预报空间环境预报 1.空间环境预报的必要性空间环境预报的必要性 空间环境受太阳活动的影响，其状态不断发生变更，有空间环境受太阳活动的影响，其状态不断发生变更，有时甚至是特别猛烈的变更。太阳活动既有长达以时甚至是特别猛烈的变更。太阳活动既有长达以11年为周期年为周期的变更，也有短至十几分钟的爆发过程。这些变更导致航天的变更，也有短至十几分钟的爆发过程。这些变更导致航

27、天器的运行轨道、姿态和寿命受到严峻影响。因此，提前预报器的运行轨道、姿态和寿命受到严峻影响。因此，提前预报空间环境扰动，特殊是预报灾难性空间环境扰动，以便实行空间环境扰动，特殊是预报灾难性空间环境扰动，以便实行相应的防护措施和对策是特别重要和必要的。相应的防护措施和对策是特别重要和必要的。23山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学2.空间环境预报工作的主要内容空间环境预报工作的主要内容 空间环境预报工作涉及的面很宽，主要的工作空间环境预报工作涉及的面很宽，主要的工作可以归纳为以下几个方面：可以归纳为以下几个方面：(1)数据获得；数据获得

28、；(2)物理过程探讨；物理过程探讨；(3)基本基本规律和相关关系探讨；规律和相关关系探讨；(4)预报模式探讨；预报模式探讨；(5)预报预报的实施。的实施。3.空间环境预报的分类空间环境预报的分类 空间环境预报通常可分为长期预报空间环境预报通常可分为长期预报(以年为单位以年为单位)、中期预报、中期预报(以太阳自转周期以太阳自转周期27天天为单位为单位)、短期、短期预报预报(13天天)和警报和警报(几特别钟到几特别钟到24小时内小时内)等。等。24山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学七、空间环境效应七、空间环境效应 1.空间环境效应探讨方

29、法空间环境效应探讨方法 空间环境的效应特别广泛，是空间环境科学中空间环境的效应特别广泛，是空间环境科学中和用户关系最为亲密的部分，比较重要的有空间环和用户关系最为亲密的部分，比较重要的有空间环境对航天器的影响、对通讯导航的影响、对供电系境对航天器的影响、对通讯导航的影响、对供电系统的影响、对输油管道的影响、对军事活动的影响统的影响、对输油管道的影响、对军事活动的影响等方面。等方面。(1)天基试验；天基试验；(2)地基试验室模拟地基试验室模拟；(3)计算机模拟计算机模拟；25山东轻工业学院山东轻工业学院 数理学院数理学院近代物理近代物理概概 论论空间环境科学空间环境科学2.高层大气对航天器轨道的影响高层大气对航天器轨道的影响 3.氧原子对航天器表面的化学作用氧原子对航天器表面的化学作用 4.高能带电粒子对航天器的辐射效应高能带电粒子对航天器的辐射效应 5.空间等离子体与航天器充放电效应空间等离子体与航天器充放电效应 6.空间碎片和微流星体与航天器机械损伤效应空间碎片和微流星体与航天器机械损伤效应 7.等离子体对电波传播的影响等离子体对电波传播的影响 26