地球科学概论课件1——大气层介绍

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1、(1)l本课宗旨本课宗旨: :概括地了解地球科学的主要内容概括地了解地球科学的主要内容, ,为深入学习打下基为深入学习打下基础础, ,为选择专业提供参考为选择专业提供参考l主要内容主要内容: : Part 1 Part 1：空间科学空间科学 Part 2Part 2：固体地球：固体地球( (地质地质, ,地球化学地球化学, ,地球物理地球物理) ) Part 3 Part 3：遥感与地理信息系统：遥感与地理信息系统(2)地球空间地球空间 高层大气，电离层，等离子体层，磁层高层大气，电离层，等离子体层，磁层日地空间（太阳）日地空间（太阳）行星物理行星物理空间探测空间探测(3)l各个区域的基本特征

2、各个区域的基本特征重点重点l必备的基础知识必备的基础知识 基础基础l怎样研究这些问题怎样研究这些问题 方法方法l当前关注的主要问题当前关注的主要问题一般一般(4)Textbooks：1.太空探索太空探索 焦维新焦维新 傅绥燕编傅绥燕编2. 空间天气学空间天气学 焦维新焦维新 编编 3.空间天气空间天气 王劲松王劲松 吕建永吕建永 编编4. 太阳风暴揭秘太阳风暴揭秘 总装备部总装备部科普：科普：http:/www.phy6.org/Education/Intro.htmlThe Exploration of the Earths MagnetosphereFrom Stargazers to S

3、tarshipshttp:/ 航天器航天器http:/ http:/ http:/ asteroids may have brought gold and other precious metals to infant Earth, new research suggests.9. 2012(10)彗星与太阳风彗星与太阳风彗星彗星馬王堆帛書的彗星臨摹圖馬王堆帛書的彗星臨摹圖 (29幅) 西漢古墓小行星与小行星带小行星与小行星带有超过一万个小型星体（1 km 1000 km）位于与之间，这个带是小行星带，大部分小行星带，大部分来自于与之间小行星带。小行星带。(14)日全食与日冕日全食与日冕酒泉.

4、金塔, 2008年8月天狗食日天狗食日(15)太阳黑子太阳黑子公元前140年前的淮南子中记载的：“日中有踆乌。”汉书五行志出现的黑子记载：“河平元年，三月乙未，日出黄，有黑气大如钱，居日中央。”(16)162600BC河图稽命征上说：“附宝（黄帝之母）见大电光绕北斗权星，照耀郊野，感而孕二十五月，而生黄帝轩辕于青邱。”(17)17Dst=-287射线极光(18)1818Dst=-287射线极光(19)极光弧(20)20幕状极光(21)Blokken in Sortland, Norway Apr. 3, 2010Zoltan Kenwell, North of Edmonton, Albert

5、a, Canada, Apr. 1, 2010弥散极光(22)22Lance Parrish, Skiland, Alaska, 20 miles NE of Fairbanks Apr. 5, 2010 极光大爆发(23)Lance Parrish, Skiland, Alaska, 20 miles NE of Fairbanks Apr. 5, 2010 极光在正上方(24)极光发生的地点！(25)从天上看极光(26)(27)(28)28http:/dac3.pfrr.alaska.edu/pfrr/AURORA/INDEX.HTM极光的色彩红色蓝绿深红地球的极光产生：地球的极光产生：

6、(29)极光发生的地点！frequency with which aurora is seen in various polar regions, produced in 1860 by Elias Loomis (1811-1889), professor of natural philosophy at Yale. Auroral Frequency Map produced in 1881 by the German scientist Hermann Fritz (1830-1883). (30)天王星天王星海王星海王星冥王星冥王星土星土星木星木星火星火星金星金星水星水星地球地球30N

7、ATURE |VOL 432 | 4 NOVEMBER 2004(31) “A geomagnetic storm is characterized by a main phase during which the horizontal component of over a time span of one to a few hours followed by its recovery which may extend over several days (Rostoker, 1997)”.Note other currents (e.g. magnetopause currents als

8、o can contribute to Dst).磁暴急始磁暴急始主相主相恢复相恢复相初相初相(32)Annual Sunspot Number: 1930-2000 Major Magnetic Storms: 1932-2000磁暴和太阳黑子的关系Borovsky, J. E., and M. H. Denton (2006), Differences between CME-driven storms and CIR-driven storms, J. Geophys. Res., 111, A07S08, doi:10.1029/2005JA011447.(33)l地球空间的定义地球空

9、间的定义l地球的大气层地球的大气层l中高层大气中高层大气l电离层电离层l等离子体层等离子体层l磁层磁层(34)l靠近行星地球的、受太阳辐射变化直靠近行星地球的、受太阳辐射变化直接影响的空间区域。接影响的空间区域。l内边界大约距离地球表面内边界大约距离地球表面6060公里，外公里，外边界是太阳风与地磁场相互作用形成边界是太阳风与地磁场相互作用形成的的. .(35)l地球大气的一部分，从距地地球大气的一部分，从距地球表面约球表面约6060公里，扩展到几公里，扩展到几十个地球半径十个地球半径l地磁场地磁场(36) 地磁场产生：地磁场产生： 磁流体发电机磁流体发电机(37)l中高层大气中高层大气l电离

10、层电离层l等离子体层等离子体层l磁层磁层(38)(39)(40)可见光图象可见光图象 红外图像红外图像 中高层大气与电离层中高层大气与电离层 (42)l吸收太阳紫外辐吸收太阳紫外辐射和射和X X射线（最重射线（最重要）要）l带电粒子加热（带电粒子加热（高纬地区）高纬地区）l电离层电流加热电离层电流加热（高纬地区）（高纬地区）磁层磁层电离层电离层(43)l40公里以下：公里以下：6%；l50100公里：公里：1025%；l100公里以上：随公里以上：随太阳活动太阳活动和和地磁活动地磁活动而变化；在而变化；在磁暴磁暴发生几发生几个小时以后，密度可增加几倍甚至达个小时以后，密度可增加几倍甚至达10倍

11、。倍。太空中的夕阳西下。太阳在地球后面落下，照亮地球大气 (44)大气中性成份和带电粒子密度随高度变化大气中性成份和带电粒子密度随高度变化电离层粒子密度随高度变化电离层粒子密度随高度变化(45)l原因：太阳紫外辐射增强，且被高层大气吸收；原因：太阳紫外辐射增强，且被高层大气吸收；l变化幅度：l 340km：10倍l 500km：50倍(46)(47)l亚轨道飞行器的飞行范围亚轨道飞行器的飞行范围l载人航天器气动加热严重的区域载人航天器气动加热严重的区域l中程导弹飞行空间中程导弹飞行空间l亚轨道旅游亚轨道旅游l对地观测对地观测l军事侦察军事侦察(48)臭氧层是指大气层的平流层中臭氧（臭氧层是指大

12、气层的平流层中臭氧（O3）浓度相对较高的部分，其主要作用是吸收浓度相对较高的部分，其主要作用是吸收短波紫外线。短波紫外线。大气层的臭氧主要以紫外线撞击双原子的氧气，把它分为两个原子，然后每个原子和没有分裂的氧气合并成臭氧（O3） 。臭氧分子不稳定，紫外线照射之后又分为臭氧分子不稳定，紫外线照射之后又分为氧气分子和氧原子，形成一个臭氧氧气分子和氧原子，形成一个臭氧-氧气循氧气循环过程。环过程。距地面1550千米高度的大气平流层，集中了地球上约90的臭氧，这一这一区域被称为臭氧层。区域被称为臭氧层。 臭氧层分布在离地2050千米的高空，臭氧层中的臭氧主要是紫外线产生的。臭氧层臭氧层(49)南极臭氧

13、洞南极臭氧洞联合国相关组织为防止臭氧层空洞进一步扩大，决定成立保护臭氧层工作组，并制定出保护臭氧层的议定书。1995年诺贝尔化学奖授于对臭氧层的浓度平衡机制研究卓有成效的3位大气化学家，克鲁岑、罗兰和莫里那。1985年，法曼发现南极臭氧层有严重损失，1995年初，美国太空总署发布了卫星遥感测量结果，证实了罗兰-莫里那理论，使人们认识到臭氧层对于生命、全球气候以及人类的未来至关重要。(50)(51)空天飞机美国国防部准备在未来美国国防部准备在未来5年内部署太空战机（年内部署太空战机（亚轨道飞行器）。这种飞行器将从美国本土发射亚轨道飞行器）。这种飞行器将从美国本土发射，2小时内向世界任何地方投放常

14、规武器。小时内向世界任何地方投放常规武器。l美国超级美国超级X系列试验飞系列试验飞行器属于亚轨道飞行行器属于亚轨道飞行器，目前已经发展到器，目前已经发展到X50型型l特点：极超音速，亚特点：极超音速，亚轨道飞行轨道飞行(52)lX-15X-15先后创造了先后创造了6.726.72马赫速度和马赫速度和108108公里升公里升限的世界记录。限的世界记录。(53)X-43Al2004年年11月月16日，日，X-43A最高速最高速度达到度达到9.69.6马马赫赫, ,远超过子远超过子弹速度弹速度 手枪子弹的初速一般在300-500米/秒，与音速（340米/秒）比较接近。运动枪和猎枪的初速一般是略低于音

15、速。步枪的初速（700-1000米/秒）大于音速。(54)正在穿越音障的战斗机。注意到机身周围激波面附近由于普朗特-格劳厄脱奇点（Prandtl-Glauert singularity）效应产生的圆锥形云雾。音障音障（Sound barrier），是一种物理現象。当物体（通常是航空器）的速度接近音速時，將会逐漸追上自己发出的声波。此时，由于机身对空气的压缩无法迅速传播，将逐渐在飞机的迎风面及其附近区域积累，最终形成空气中压强、温度、速度、密度等物理性质的一个突变面激波（Shock Wave）面。音障(55)(56)l“猎鹰猎鹰”极超音速飞极超音速飞行器设计速度最高为行器设计速度最高为24000

16、公里公里/小时小时(音音速的速的22倍倍)、飞行高、飞行高度可达度可达30-45公里。公里。l第一架第一架“猎鹰猎鹰” 将将于于2007年年9月份完成月份完成首次持续时间为首次持续时间为1小小时的试飞时的试飞。(57)l航天器进入大气层的速度为航天器进入大气层的速度为25马赫，在大气层中将产生马赫，在大气层中将产生严重的气动加热，严重的气动加热，机翼前缘机翼前缘的温度的温度5 5分钟后就增加到分钟后就增加到11001100 C C。(58)(59)(60)l 黑障区黑障区(Blackout zone)，是导弹弹头和航天器返回舱等再入体返回大气层时，因再入体表面超高速摩擦形成高温等离子区导致无线

17、电信号衰减至中断的飞行区段。l 其范围取决于载入体的外形、材料、载入速度，以及发射信号的频率和功率等。l 黑障现象给载人飞船再入返回时的实时通信、载入测量造成困难黑障黑障(61)l中程导弹最高点：中程导弹最高点：100公里左右公里左右l 洲际导弹飞行在几百公里洲际导弹飞行在几百公里高的外层空间高的外层空间l 它有精密的制导系统，飞它有精密的制导系统，飞行一万多公里，弹头命中行一万多公里，弹头命中目标一般误差不超过一公目标一般误差不超过一公里，甚至只有几十米。如里，甚至只有几十米。如美国美国MX导弹精度达到导弹精度达到90米米。影响导弹命中精度的因素：影响导弹命中精度的因素： 大气密度和风大气密

18、度和风(62)l亚轨道环境（密度、亚轨道环境（密度、温度等）的特征及变温度等）的特征及变化规律化规律l稀薄气体动力学稀薄气体动力学l激波加热激波加热l亚轨道飞行器的影响亚轨道飞行器的影响(63)l卫星轨道：卫星轨道：l卫星寿命：卫星寿命：l卫星返回时的加热、回落点；卫星返回时的加热、回落点；l高层大气风切变影响航天器发射成功率。高层大气风切变影响航天器发射成功率。(64)(65)l导弹命中精度：密度值比设计值增大导弹命中精度：密度值比设计值增大20204040，射程减小，射程减小23.023.047.647.6kmkm； l密度变化密度变化5%5%，爆高误差，爆高误差1 1kmkm；l美国民兵

19、核导弹（美国民兵核导弹（100100万吨当量）摧毁地下发射井时，在万吨当量）摧毁地下发射井时，在0.40.4kmkm之内破坏概率为之内破坏概率为80%80%，在，在 1.6 1.6kmkm之外破坏概率只有之外破坏概率只有10%10%；(66)DST=-548 nT(67)1.什么是电离层什么是电离层2.电离层的结构电离层的结构3.电离层扰动电离层扰动4.电磁波在电离层中的电磁波在电离层中的传播传播(68)l地球高层大气的一部分，因受太阳的地球高层大气的一部分，因受太阳的紫外线紫外线、X射线射线和和带电粒带电粒子子辐射而电离。是地球大气中自由电子密度足以对无线电波传辐射而电离。是地球大气中自由电

20、子密度足以对无线电波传播产生显著影响的区域。播产生显著影响的区域。l高度范围：高度范围：601000km。Edward V. Appleton1947 Nobel Prize in Physics1924 Appleton began a series of experiments which proved the existence of that layer in the upper atmosphere now called the ionosphere. (69)电离层与大气层电离层与大气层电离层电离层逃逸层逃逸层热层热层中层中层平流层平流层对流层对流层(70)电离层密度随高度变化电离

21、层密度随高度变化l具有足够数量的自由电子和离子，显著地影响电磁波传播具有足够数量的自由电子和离子，显著地影响电磁波传播;l电离度低（电离度低（1），相当多的大气分子和原子未被电离），相当多的大气分子和原子未被电离;电子电子和离子的运动还部分地受中性风的影响。和离子的运动还部分地受中性风的影响。(71)l指电离层电子密度以及离子成分随高指电离层电子密度以及离子成分随高度的变化度的变化l 分层结构分层结构l 不均匀结构不均匀结构(72)lD层层：6090km。lE层层： 90160kmlF层层： 160km以上以上where N = electron density per cm3 and fcr

22、itical is in MHz.(73)PlanetDensity fluctuation affects radio wave reflection and transmission(74)l主要电离源：太阳的主要电离源：太阳的拉曼拉曼 辐射和软辐射和软X射线射线辐射辐射l夜间夜间D层基本消失层基本消失l由于大气较稠密，电由于大气较稠密，电子与中性粒子和离子子与中性粒子和离子的碰撞频繁，无线电的碰撞频繁，无线电波在这一层中的衰减波在这一层中的衰减严重。严重。 (75)l高度范围高度范围90160kml电子密度峰值出现在电子密度峰值出现在105110km之间。之间。l主要电离源是太阳紫主要电

23、离源是太阳紫外线和软射线外线和软射线l夜间夜间E层的电子密度层的电子密度很低。很低。 (76)l高度范围在高度范围在160km以以上，是电离层中持久上，是电离层中持久存在、电子密度主极存在、电子密度主极大所在的层次。大所在的层次。 l一般将一般将F层细分成层细分成F1和和F2两个层次。两个层次。 (77)(78)l各种空间尺度的高密度各种空间尺度的高密度“斑斑”和低密度和低密度“泡泡”，统称为，统称为不规则性，或不均匀结构；不规则性，或不均匀结构；l最显著的不规则性是最显著的不规则性是散见散见E层层和和扩展扩展F。(79)l在在100120km高度经常出现高度经常出现的不均匀结构的不均匀结构(

24、高电子密度区高电子密度区)，厚度约，厚度约35 km，水平尺，水平尺度约几十至上百度约几十至上百km。(80) (81)l太阳电磁辐射和粒子辐射的增强引起的电离层状态变化。太阳电磁辐射和粒子辐射的增强引起的电离层状态变化。l太阳耀斑发出的太阳耀斑发出的X射线暴使向阳面射线暴使向阳面D区的电离密度急剧增加，区的电离密度急剧增加，短波和中波无线电信号立即衰落甚至完全中断短波和中波无线电信号立即衰落甚至完全中断 。(82)l太阳耀斑太阳耀斑紫外和紫外和X射线突增射线突增向阳面电离层向阳面电离层电离增强电离增强 短波无线电通信衰减或中断短波无线电通信衰减或中断(83)l地磁场发生全球性变化时，电离层状

25、态发生的急剧变化称为电地磁场发生全球性变化时，电离层状态发生的急剧变化称为电离层暴；离层暴；l正常形态打乱，使得通信适用频率的选择困难。正常形态打乱，使得通信适用频率的选择困难。(84)(85)(86)(87)(88)(89)l低频波传播低频波传播l中频波传播中频波传播l高频波传播高频波传播l超高频波传播超高频波传播Ultra high frequency (UHF) designates a range of electromagnetic waves with frequencies between 300 MHz and 3 GHz (3,000 MHz). Also known as

26、the decimetre band or decimetre wave as the wavelengths range from one to ten decimetres (10 cm to 1 metre). Radio waves with frequencies above the UHF band fall into the SHF (Super high frequency) and EHF (Extremely high frequency) bands, all of which fall into the Microwave frequency range. Lower

27、frequency signals fall into the VHF (Very high frequency) or lower bands. See electromagnetic spectrum for a full listing of frequency bands.(90)l直接视距传播（地波）直接视距传播（地波）l地球表面与电离层地球表面与电离层D层层之间的多次反射传播（之间的多次反射传播（大气波导）大气波导）l在在E层或层或F层反射传播层反射传播（天波）（天波）l穿过电离层（卫星通信穿过电离层（卫星通信）(91)电磁波谱电磁波谱(92)l极低频信号在地球和电离层之间所构成的

28、极低频信号在地球和电离层之间所构成的“波导管波导管”中传播，中传播，稳定可靠。稳定可靠。(93)l超视距传播超视距传播l能穿入海水数百米深能穿入海水数百米深l极低频通信系统缺点：系统极为庞大，天线效率极低，可能对极低频通信系统缺点：系统极为庞大，天线效率极低，可能对四周环境造成有害影响，对电力线、电话线和电气设备等形成四周环境造成有害影响，对电力线、电话线和电气设备等形成电磁干扰；费用昂贵。电磁干扰；费用昂贵。(94)l地波传播地波传播l主要用于导主要用于导航、海上通航、海上通信、调幅广信、调幅广播播(95)l天波，电离层反射天波，电离层反射l主要用于短波广播、电主要用于短波广播、电话、超视距

29、雷达话、超视距雷达(96)l传播形式：反射或多次反射；传播形式：反射或多次反射；l最大可用频率（最大可用频率（MUF)MUF): :在通讯距离给定情况下，地面短波通在通讯距离给定情况下，地面短波通讯所能使用的最大频率。讯所能使用的最大频率。lwhere = angle of attack, the angle of the wave relative to the horizon, and sin is the sine function.l吸收限制的频率（吸收限制的频率（ALF)ALF): :可用频带的最低限制，低于此频率可用频带的最低限制，低于此频率，电磁波将被，电磁波将被D D层吸收。层

30、吸收。lThe cutoff frequency is the frequency below which a radio wave fails to penetrate a layer of the ionosphere at the incidence angle required for transmission between two specified points by refraction from the layer.(97)(98)(99)波导模弦模复杂模(100)(101)l视距传播视距传播l用于卫星通信、雷达和用于卫星通信、雷达和移动通信移动通信(102)(103)l电离

31、层不均匀结构：电离层不均匀结构：l电离层扰动：电离层扰动：l 突发突发电离层骚扰电离层骚扰l 电离层暴电离层暴 (104)l电离层闪烁，电离层闪烁，信号相信号相位变化，导致导航、位变化，导致导航、定位误差定位误差l数字通讯误码数字通讯误码l影响无线电波传播路影响无线电波传播路径径(105)(106)l最高和最低可用频率最高和最低可用频率变化变化l飞行体跟踪、航天器飞行体跟踪、航天器测轨测轨l信号被吸收，通讯中信号被吸收，通讯中断断l导航、定位的精度导航、定位的精度l影响微波遥感影响微波遥感l时间同步问题时间同步问题(107)l地面探测地面探测 雷达雷达 电离层测高仪电离层测高仪 l卫星探测卫星

32、探测(108)(109)(110)(111)l我国历史上观测到的极光事件？我国历史上观测到的极光事件？l我国历史上观测到的慧星和超新星爆发？我国历史上观测到的慧星和超新星爆发？l演算人眼视距随高度的变化？假设人眼分辨率为演算人眼视距随高度的变化？假设人眼分辨率为3/10000，肉眼能否看见肉眼能否看见1立方米左右人造卫星，空间站？立方米左右人造卫星，空间站？l注：作业以纸板（打印版，手抄版）下次上课提交注：作业以纸板（打印版，手抄版）下次上课提交(112)l什么是地球空间？什么是地球空间？l中高层大气的特征及其对军事的影响中高层大气的特征及其对军事的影响l什么是电离层？电离层的结构什么是电离层？电离层的结构l电磁波在电离层是怎样传播的？电磁波在电离层是怎样传播的？l注：作业以纸板（打印版，手抄版）下次上课提交注：作业以纸板（打印版，手抄版）下次上课提交(113)l中国：从北纬050度， 西经65 135度