北大太空探索课件01太空概览-2磁层与辐射带

1、一周太空新闻和事件一周太空新闻和事件欧洲空间局于欧洲空间局于3月月9日成功发射了自动货日成功发射了自动货运飞船运飞船ATV“儒勒儒勒凡尔纳凡尔纳”，ATV重重20吨，为国际空间站送去约吨，为国际空间站送去约6吨的水、燃料吨的水、燃料和科学仪器。和科学仪器。ATM此次还将提升国际空此次还将提升国际空间站轨道，装载空间站的垃圾。飞船预间站轨道，装载空间站的垃圾。飞船预计在个月后脱离空间站，并在可控情计在个月后脱离空间站，并在可控情况下在太平洋上空的大气层中销毁。况下在太平洋上空的大气层中销毁。火星上发现可能曾经存在生命的陨石坑火星上发现可能曾经存在生命的陨石坑霍尔登陨石坑霍尔登陨石坑 磁层与辐射带磁层与辐射带本节重点本节重点： 极光是怎样产生的？极光是怎样产生的？ 辐射带是怎样形成的？辐射带是怎样形成的？ 什么是磁暴？什么是磁暴？极光极光带电粒子撞击高层大带电粒子撞击高层大气的分子或原子而激气的分子或原子而激发的绚丽多彩的发光发的绚丽多彩的发光现象称为极光；现象称为极光；主要发生在高磁纬地主要发生在高磁纬地区，区，7070至至10001000kmkm的范的范围内；围内；极光的形态（极光的形

2、态（弧、带、纹、幕弧、带、纹、幕）Theta 极光极光紫外极光紫外极光X射射线极线极光光质子极光与电子极光质子极光与电子极光1989年大磁暴期间的极光分布年大磁暴期间的极光分布从太空看极光（从太空看极光（右下为南极光右下为南极光）问题问题1：极光为什么只出现在极区：极光为什么只出现在极区？带电粒子带电粒子在地磁场中的运动在地磁场中的运动地磁场简单模型地磁场简单模型偶极子偶极子带电粒子在均匀磁场中的运动带电粒子在均匀磁场中的运动回旋运动：回旋运动：R是回旋半径是回旋半径带电粒子运动特征带电粒子运动特征速度越大，回旋半径越大；速度越大，回旋半径越大；磁场越强，回旋半径越小；磁场越强，回旋半径越小；当有平行于磁场的速度分量时，粒子运当有平行于磁场的速度分量时，粒子运动轨迹是螺旋线。动轨迹是螺旋线。在非均匀磁场中的在非均匀磁场中的 运动运动1、磁场非均匀性的描述、磁场非均匀性的描述2、曲率漂移、曲率漂移3、梯度漂移、梯度漂移汇聚或发散磁力线汇聚或发散磁力线沿磁场方向磁感应强度增加沿磁场方向磁感应强度增加对正粒子对正粒子这里这里s是沿磁场方向是沿磁场方向一般情况下，沿磁场方向粒子受到的力一般情况

3、下，沿磁场方向粒子受到的力可写作：可写作：这个平行力作用于粒子上，总是阻碍粒这个平行力作用于粒子上，总是阻碍粒子沿汇聚的磁场位形运动。逐渐地，粒子沿汇聚的磁场位形运动。逐渐地，粒子可能被这个力所反射。子可能被这个力所反射。可以证明，可以证明， 粒子在不均匀磁场中受到的力粒子在不均匀磁场中受到的力力的方向与磁场增加力的方向与磁场增加的方向相反；的方向相反；由于这个力的作用，由于这个力的作用，粒子运动到一定高度粒子运动到一定高度后将反弹，反弹点称后将反弹，反弹点称为为镜点镜点，因为在相反，因为在相反的极区也有这样的点。的极区也有这样的点。粒子的沉降粒子的沉降粒子被反射的点称磁镜点；如果入射粒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，若低子接近与磁场平行，磁镜点降低，若低于于100100kmkm，则粒子在反射之前就与大气分则粒子在反射之前就与大气分子相撞，称子相撞，称粒子沉降粒子沉降。关于问题关于问题1的结论的结论由于地磁场的存在，只有在极区由于地磁场的存在，只有在极区或高（磁）纬地区，带电粒子才或高（磁）纬地区，带电粒子才能运动到较低的高度，与大气分能运动到较低的高度

4、，与大气分子相撞，产生极光。子相撞，产生极光。问题问题2：为什么极光是五颜六色的？为什么极光是五颜六色的？极光的颜色与哪些因素有关？极光的颜色与哪些因素有关？大气成分大气成分带电粒子的带电粒子的种类种类带电粒子的带电粒子的能量能量研究极光的意义研究极光的意义极光与太阳活动密切相关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由极光区分布可判断太阳活动和地磁活动程度程度在在x-z平面弯曲的磁力线平面弯曲的磁力线带电粒子漂移运动的速度带电粒子漂移运动的速度（3-13）可变为对给定的磁场曲率，飘移速度是平行能对给定的磁场曲率，飘移速度是平行能量的函数。具有相同能量的正离子和电量的函数。具有相同能量的正离子和电子有相同的漂移速度，但它们漂移的方子有相同的漂移速度，但它们漂移的方向相反，因此将产生电流。向相反，因此将产生电流。 地磁场中的电子与离子在相反方地磁场中的电子与离子在相反方向漂移向漂移在地球的赤道上空在地球的赤道上空,电子与离子在地磁场电子与离子在地磁场中漂移方向相反中漂移方向相反,因而产生环绕赤道的电因而产生环绕赤道

5、的电流流,称为称为“环电流环电流”.这个环电流产生的这个环电流产生的磁场与地磁场的磁场与地磁场的 水平分量相反水平分量相反,因此因此,强强的环电流使地磁磁水平分量减小很大的环电流使地磁磁水平分量减小很大磁暴磁暴实际的实际的地磁场地磁场带电粒子在地磁场中的运动形态带电粒子在地磁场中的运动形态 回旋回旋 弹跳弹跳 漂移漂移粒子被地磁场捕获粒子被地磁场捕获在地磁场作用下能围绕地球漂移一周以在地磁场作用下能围绕地球漂移一周以上的带电粒子称上的带电粒子称捕获粒子捕获粒子地磁场将带电粒子约束在地球空间确定的地磁场将带电粒子约束在地球空间确定的区域内，形成带电粒子比较集中的地区，区域内，形成带电粒子比较集中的地区，称为称为辐射带辐射带。地球的辐射带地球的辐射带地球辐射带特征地球辐射带特征辐射带是充满带电粒辐射带是充满带电粒子的区域，环绕着地子的区域，环绕着地球在大约球在大约1.13.3 个地球半径以内和个地球半径以内和4.5 6 个地球半径个地球半径以外的两个区域内，以外的两个区域内，分别称为分别称为内辐射带内辐射带和和外辐射带外辐射带。辐射带小结辐射带小结内辐射带内辐射带：在赤道面上离地心：在赤道

6、面上离地心1.11.1到到 3.3 3.3个个地球半径，主要是高能质子。主要源是高地球半径，主要是高能质子。主要源是高能宇宙线的作用。能宇宙线的作用。外辐射带外辐射带：在赤道面上离地心：在赤道面上离地心4.54.5到到 6.0 6.0个个地球半径，主要由电子组成。主要源是磁地球半径，主要由电子组成。主要源是磁层内部过程，如磁暴和亚暴。层内部过程，如磁暴和亚暴。南大西洋异常南大西洋异常(SAA)卫星异常情况分布卫星异常情况分布(注意太空的百慕大三角注意太空的百慕大三角）地磁场为什么变化？地磁场为什么变化？地磁活动地磁活动带电粒子沿着磁力线运动带电粒子沿着磁力线运动产生场向电流产生场向电流产生磁场，垂直于磁力线运动产生磁场，垂直于磁力线运动产生产生环环电流电流产生磁场，这些磁场使正常情况下产生磁场，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，或的地磁场值发生变化，称为地磁扰动，或地磁活动地磁活动；由大的环电流引起的地磁场变化称为由大的环电流引起的地磁场变化称为磁暴磁暴。地磁活动地磁活动指数指数表示一定时间间隔内地磁场扰动程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。

7、常度的数字，称为地磁活动指数。常用的有用的有C C指数、指数、K K指数、指数、ApAp指数等。指数等。数字越大，表示地磁扰动越强。数字越大，表示地磁扰动越强。磁磁 暴暴全球范围内地磁场的剧烈扰动，扰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；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，磁暴发生与太阳活动有密切关系，大的非重现性磁暴与大的非重现性磁暴与CMECME联系密切。联系密切。北京地磁台观测到的磁暴北京地磁台观测到的磁暴产生磁暴的直接原因产生磁暴的直接原因太阳活动期间，大量的带电粒子进入太阳活动期间，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，使得地磁常的的磁场与地磁场叠加，使得地磁常的水平分量发生很大变化。这时，我们水平分量发生很大变化。这时，我们就说发生了磁暴。就说发生了磁暴。磁暴的产生及伴随的事件磁暴的产生及伴随的事件亚亚 暴暴地磁场持续时间为地磁场持续时间为2 2、3 3小时的扰动，小时的扰动，是存储在地球尾尾的太阳风能量瞬时是

8、存储在地球尾尾的太阳风能量瞬时的释放引起的。引起极光卵增大的释放引起的。引起极光卵增大、增、增亮。亮。平均一天出现平均一天出现45次，每次释放一个次，每次释放一个中等地震的能量。中等地震的能量。(1)(2)(3)(4)亚暴期间的极光磁暴和亚暴效应磁暴和亚暴效应对输电线路的破坏（在地面的效应）对输电线路的破坏（在地面的效应）航天器带电（对航天器的效应）航天器带电（对航天器的效应）高层大气加热（对近地环境的效应）高层大气加热（对近地环境的效应）对宇航员的辐射损害（对载人航天的效应）对宇航员的辐射损害（对载人航天的效应）通讯受到干扰甚至中断（对电离层的效应）通讯受到干扰甚至中断（对电离层的效应）对人类生存环境的影响（带电粒子对臭氧分对人类生存环境的影响（带电粒子对臭氧分布的影响）布的影响）磁暴能否对计算机产生影响磁暴能否对计算机产生影响？磁暴引起的地磁场的变化：几百磁暴引起的地磁场的变化：几百nT;计算机涂写操作：计算机涂写操作：107nT;磁场对比：地球：磁场对比：地球：5x104nT 太阳风：太阳风：5nT; 太阳黑子：太阳黑子：108nT; 木星木星:108nT; 白矮星：白矮星：10

9、11nT; 中子星：中子星：1017nT; 磁星：磁星：1020nT历史上最大的磁暴历史上最大的磁暴日期日期 太阳周太阳周 AP值值 1 13 November, 1960 19 280 2 13 March, 1989 22 246 3 01 April, 1960 19 241 4 15 July, 1959 19 236 5 18 September, 1941 17 230 6 05 July, 1941 17 220 7 28 March, 1946 18 215 8 01 March, 1941 17 205 9 06 October, 1960 19 203 10 08 February, 1986 21 202磁磁 层层定义定义：太阳风流经地球时，与地球磁场相太阳风流经地球时，与地球磁场相互作用而在地球周围形成的、地球磁场对互作用而在地球周围形成的、地球磁场对带电粒子起控制作用的区域。带电粒子起控制作用的区域。结构结构：磁鞘、磁层顶、磁尾、极尖区、等磁鞘、磁层顶、磁尾、极尖区、等离子体幔、等离子体片离子体幔、等离子体片磁层结构磁层结构本节复习题本节复习题为什么极光主要出现在高磁纬地区？为什么极光主要出现在高磁纬地区？辐射带是怎样形成的？辐射带是怎样形成的？什么叫磁暴？什么叫亚暴？什么叫磁暴？什么叫亚暴？磁暴的效应磁暴的效应

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