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太空探索
太 空 探 索
Space Exploration (第四节)
傅绥燕 地球与空间科学学院
太空探索
第一篇 太空概览
第二章 地球空间
磁层与辐射带
太空探索 地球空间之磁层和辐射带
• 本节重点:
– 极光现象
– 地球的磁层
– 辐射带
– 磁暴及其效应
太空探索
• 极光(aurora)
–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。
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
• 极光分为弥漫型极光和分离型极光
–极光的形态(弧、带、纹、幕)
地球空间之磁层和辐射带
太空探索 地球空间之磁层和辐射带
太空探索
从太空看极光
太空探索
• Theta () 极光
– 从整体上看,极光区域为围绕地磁北极的圈,称为极光卵。
地球空间之磁层和辐射带
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• 紫外极光
–用紫外线成像仪在卫星上拍摄的极光照片
地球空间之磁层和辐射带
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• X射线极光
–在Polar卫星 上用X射线成 像仪拍摄。
地球空间之磁层和辐射带
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Polarward boundary arcs
Discrete auroral
Diffuse auroal
Pulsating
surfaces
极光是怎样产生的呢?
太空探索 地球空间之磁层和辐射带
太空探索
太阳风:太阳除了光(电磁波)辐射外,还向外辐射物质(等离子体),称为太阳风。
磁层是太阳风与地球磁场相互作用的结果
哈雷彗星1986年回归时
哈雷彗星与太阳的关系
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
• 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。
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
• 磁层
–结构: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 10 RE, 背日面地 心距离约 200 RE
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
• 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
地球空间之磁层和辐射带
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• 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
m
qB
R
v
qB
mvR
R
mvqvB
c
2
太空探索
• 带电粒子在均匀磁场中的运动
–当有平行于磁场的速度分量时,粒子运动轨迹是螺旋线。
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
粒子在不均匀磁场中受到的力 • 力的方向与磁场增加的方向相反;
• 由于这个力的作用,粒子运动到一定高度后将反弹,反弹点称为镜点,因为在相反的极区也有这样的点。
太空探索
• 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;反跳周期不变
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
• 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。
地球空间之磁层和辐射带
粒子的沉降
太空探索
由于地磁场的存在,只有在极区或高(磁)纬地区,带电粒子才能运动到较低的高度,与大气分子相撞,产生极光。
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
Figure: Sato et al.,
GRL, 2005
地球空间之磁层和辐射带
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极光的颜色与哪些因素有关?
谱线:5577(黄绿:Oxygen 1S-1D)/6300(红:Oxygen)/
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• 谱线:4278( Nitrogen)
• 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)
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
• 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
太空探索
• 由于地磁场是弯曲的,粒子还受到与磁力线垂直的力的作用,电子和质子受力方向相反。
• 粒子在这个力作用下的运动称为漂移运动,结果形成了围绕赤道运动的环电流。
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
• 粒子在地磁场中的运动
–总结:回旋运动、弹跳运动、漂移运动
–在地磁场作用下能围绕地球漂移一周以上的带电粒子称捕获粒子
地球空间之磁层和辐射带
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• 辐射带 –辐射带是磁层中充满(捕获)高能带电粒子的区域;
–内辐射带:环绕着地球在大约1.1~3.3 个地球半径,主要分布高能质子和高能电子;
–外辐射带:4.5 ~6 个地球半径,主要是高能电子 –之间区域称为辐射“槽区”
地球空间之磁层和辐射带
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• 辐射带
–1958年1月31日,美国第一颗人造卫星探险者一号升空,当升至800千米高空时,星上所载盖革计数器读数突然下降至0。到1958年3月26日探险者三号升空时,又发生了同样的情况。
–范艾伦(Van Allen)认为,这是因为存在极大量的辐射导致计数器达到饱和而失灵造成的。因此,同年7月26日发射探险者四号时,他在计数器前端加入一小片薄铅以阻挡部分辐射。果然,新的卫星证实了他的猜测。
–辐射带又称为Van Allen Belt.
地球空间之磁层和辐射带
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• Radiation Belts discovered unexpectedly by James Van Allen.
• Explorer 1 spacecraft, launched on Redstone rocket on 31st Jan. 1958.
• Cover of Time magazine in 1959 (“Man of the Year”).
• Nearly 50 years later,
Van Allen radiation belts still a mystery. Images courtesy of NASA.
From left: William H.
Pickering, James Van
Allen and Wernher von
Braun
太空探索
• 辐射带
–辐射带质子能谱
地球空间之磁层和辐射带
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• 辐射带
地球空间之磁层和辐射带
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• 南大西洋异常(SAA – South Atlantic Anomaly)
北京大学研制的高能粒子监测器在ZY-1卫星上探测到的电子和质子分布
地球空间之磁层和辐射带
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• 南大西洋异常(SAA)
–卫星异常情况分布 (太空的百慕大三角)
地球空间之磁层和辐射带
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• 辐射带(空间辐射环境)对航天器的影响
–高能重离子和质子引起半导体元器件的单粒子效应
•单粒子翻转:存储器数据错误;
•单粒子锁定:CMOS电路的异常状态,会使电路失去功效,并且电流异常增加造成其他问题;
•单粒子烧毁:CMOS电路的异常电流烧毁,MOSFET电路的单粒子烧毁。
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
• 空间辐射环境(辐射带)对航天器的影响
–高能带电粒子辐射的累积效应:
• 又分为总剂量效应和位移效应;
• 使航天器电子器件和材料性能的退化。
–高能电子内部充电和放电效应
• 具有较高的穿透深度,可在卫星绝缘介质中充电,造成内部充电,积累电压可达数千伏,会产生放电现象。
• 内部充电放电会给卫星带来致命损伤。
–等离子体和辐射、太阳光照等共同作用可导致表面带电
• 造成太阳电池阵毁坏;
• 卫星设备接地异常;
• 太空环境探索的测量误差。
地球空间之磁层和辐射带
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L ~ Equatorial Radial Distance (RE)
HEO
GPS
GEO
0
50
100
150
200
250
CR
RE
S M
EP
-SE
U A
nom
alie
s
0
CR
RE
S V
TC
W A
nom
alie
s
Inner
Belt
Slot
Outer Belt
5
10
15
1 2 3 4 5 6 7 8
0
10
20
30
SC
AT
HA
Surf
ace E
SD
SEUs
Internal
Charging
Surface
Charging
(Dose behind 82.5 mils Al)
SCATHA
太空探索
Inner Magnetosphere ILWS Constellation
ORBITALS
RBSP
ERG
太空探索
• 辐射带小结
–在地球周围由地磁场捕获的高能带电粒子区域;
–按空间区域分内辐射带和外辐射带
•内辐射带:在赤道面上离地心1.1到 3.3个地球半径,主要是高能质子和高能电子;
•外辐射带:在赤道面上离地心4.5到 6.0个地球半径,主要由电子组成;
–辐射环境是航天器的最主要杀手
•单粒子效应:单粒子翻转、单粒子锁定、单粒子烧毁;
•总剂量效应;
•高能电子的内部充电放电效应。
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
• 带电粒子沿着磁力线运动→产生场向电流→产生磁场,垂直于磁力线运动→产生环电流→产生磁场,这些磁场使正常情况下的地磁场值发生变化,称为地磁扰动,或地磁活动;
• 表示一定时间间隔内地磁场扰动程度的数字,称为地磁活动指数。常用的有C指数、K指数、Ap指数等。数字越大,表示地磁扰动越强。
地磁场的活动及地磁指数
太空探索
磁 暴
• 全球范围内地磁场的剧烈扰动,扰动时间持续十几小时到几天;
• 磁暴发生与太阳活动有密切关系,大的非重现性磁暴与CME联系密切。
• 磁暴的强度用DST指数来描述
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
产生磁暴的直接原因
• 太阳活动期间,大量的带电粒子进入地球空间,并被地磁场捕获。由于粒子增多,环电流也增强。环电流产生的磁场与地磁场叠加,使得地磁场的水平分量发生很大变化。这时,我们就说发生了磁暴。
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
北京地磁台观测到的磁暴
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
• 典型磁暴活动
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
The 14 July 2001 Event
地球空间之磁层和辐射带
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1989年大磁暴期间的极光分布
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
D. N. Baker et al., Nature, 16
Dec 2004
太空探索
亚 暴 • 地磁场持续时间为2、3小时的扰动,是存储在地球尾尾的太阳风能量瞬时的释放引起的。引起极光卵增大、增亮。
• 平均一天出现4~5次,每次释放一个中等地震的能量。
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
• 磁层亚暴
–太阳风和行星际磁场变化把能量存储在磁尾;
–地磁亚暴引起的在两极的粒子沉降引发极光的增强。
地球空间之磁层和辐射带
太空探索
• 对输电线路的破坏
• 航天器带电
• 高层大气加热
• 对宇航员的辐射损害
• 通讯受到干扰甚至中断
• 对人类生存环境的影响
空间天气效应
地球空间之磁层和辐射带
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磁暴引起的地磁场的变化:几百nT;
计算机涂写操作:~107nT;
磁场对比:地球:5x104nT
太阳风:5nT; 太阳黑子:108nT;
木星:108nT; 白矮星:1011nT;
中子星:1017nT; 磁星:1020nT
磁暴能否对计算机产生影响?
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V=EB
VA
CUSP
CUSP
FORESHOCK
BS
RC
POLAR
CLUSTER
SOHO
WIND
SW
SW
CLUSTERGEOTAIL
MP
T~ ZL1RE
0.01RE
Ve=30RS
E
DSP-P
DSP-E
ACE
太空探索
• 本节小结
–极光主要出现在高磁纬地区
–辐射带是地磁场对带电粒子的捕获区
–辐射带对航天器的影响
–什么叫磁暴?
–什么叫亚暴?
–磁暴的效应
地球空间之磁层和辐射带
太空探索 作业
第一次作业
–题目:地球空间有那些爆发性活动?主要特征是什么?
–要求:
(1)结合自己的认识和体会,不要完全照抄教材的内容
(2)字数:800 ~ 1500字
(3)交作业时间:不晚于3月31日
太空探索
• 阿尔文波
–是等离子体中的一种沿磁场 方向传播的波,这种波的频 率远低于等离子体的回旋频 率,是一种线偏振的低频横 波。沿着磁感线方向的磁张 力提供恢复力。
–Hannes Alfvén(1908/5/30-1995/4/2),瑞典等离子体物理学家、天文学家,致力于磁流体动力学领域的研究。与法国格勒诺布尔大学的奈尔(Louis Neel)分享1970年诺贝尔物理学奖。
地球空间之磁层和辐射带