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

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• 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

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• 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

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从太空看极光

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• 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。

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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。

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Polarward boundary arcs

Discrete auroral

Diffuse auroal

Pulsating

surfaces

极光是怎样产生的呢？

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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

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• 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

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地球空间之磁层和辐射带

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• 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

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• 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

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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

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• 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。

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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。

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• 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

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• 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。

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粒子的沉降

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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。

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Figure: Sato et al.,

GRL, 2005

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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)

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• 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

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• 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。

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• 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

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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”

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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.

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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

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• 辐射带

–辐射带质子能谱

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• 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

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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）

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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。

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• 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。

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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

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Inner Magnetosphere ILWS Constellation

ORBITALS

RBSP

ERG

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• 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。

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• 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

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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

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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。

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北京地磁台观测到的磁暴

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• 典型磁暴活动

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The 14 July 2001 Event

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1989年大磁暴期间的极光分布

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D. N. Baker et al., Nature, 16

Dec 2004

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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。

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• 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。

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亚暴期间的极光

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• 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

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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

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• 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

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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

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• 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。

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