1. 空间物理学 - 专业介绍 郑惠南 地球和空间科学学院 中国科学院基础等离子体物理重点实验室 http://space.ustc.edu.cn/

2. 2007 年 4 月 空间物理 2 什么是空间物理 所谓空间，是指从太阳到地球、直至整个太阳系的广 阔范围；广义上来讲，也就是人类生存的环境。 空间物理学是伴随人造卫星成功发射而形成并迅速发 展的新兴交叉学科，主要研究广阔的太阳大气和行星 际空间、地球和行星的磁层、电离层和中高层大气中 的基本物理过程及其演化规律，探讨空间环境的监测、 诊断、预报及其在航天、国防、通讯、导航等方面的 应用。

3. 2007 年 4 月 空间物理 3 空间物理学及其研究领域  日地空间 太阳和太阳大气 太阳风和行星际空间 地球空间  日球空间  空间等离子体  空间天气  空间探测

4. 2007 年 4 月 空间物理 4 太阳和太阳系 太阳及其行星

5. 2007 年 4 月 空间物理 5 太阳大气和行星际空间

6. 2007 年 4 月 空间物理 6 地球磁层

7. 2007 年 4 月 空间物理 7 电离层 和中高 层大气

8. 2007 年 4 月 空间物理 8 日地系统 太 阳主要能源和扰动源，其活动和爆发影响到整个日地系统 太阳大气和 行星际空间 充满着稀薄等离子体，是太阳活动影响地球空间的中间 地带，各种等离子体物理过程起重要作用，且主要受太 阳控制 磁 层 由完全电离的等离子体组成，形态主要由地球和行星的 磁场决定，同时受太阳活动影响 电离层 由部分电离的等离子体组成，太阳辐射、地球磁场和引 力场共同起主导作用，对人类活动有着直接的影响 中高层大气 和低层大气 以中性成分为主，也有许多电磁过程和化学过程，同时 涉及与低层大气的耦合以及固、液、气和等离子体四态 的相互作用 地 球地球磁场和地球内部活动影响着空间环境的变化

9. 2007 年 4 月 空间物理 9 空间物理学的迅速发展 20 世纪 50 年代，形成和探索阶段，发展成一门独立的 学科。 20 世纪 60 年代，以载人飞船和首次登月为代表，对地 球空间环境初步了解。 20 世纪 70 年代，探测深空，对整个日球层环境的了解。 20 世纪 80 ～ 90 年代，开展全球合作，从整个日地系 统的角度来研究空间物理现象。 20 世纪 90 年代末至今，开展空间天气研究，加强探测、 研究、预报、应用之间的结合。

10. 2007 年 4 月 空间物理 10 空间物理学是迅速发展的交叉学科 空间物理学是伴随人造卫星成功发射而形成并 迅速发展的交叉学科，主要研究广阔的太阳大气 和行星际空间、地球和行星的磁层、电离层和中 高层大气中的基本物理过程及其演化规律，探讨 空间环境的监测、诊断、预报及其在航天、国防、 通讯、导航等方面的应用。

11. 2007 年 4 月 空间物理 11 空间物理学是基础学科 空间物理学是人类认识自然的一门前沿性基础 学科，广阔的空间环境是难得的天然实验室。有 5 位科学家，由于对空间物理学发展做出贡献而 获得诺贝尔奖（ Appleton 获 1947 年物理奖， Alfven 获 1970 年物理奖， Crutzen 、 Molina 和 Rowland 获 1995 年化学奖）。

12. 2007 年 4 月 空间物理 12 空间物理学又是应用学科 空间物理学又是应用性极强的学科，与航天、通讯、 导航、电力以及人类生存环境和社会发展有着密切的关 系。 20 世纪 90 年代兴起的空间天气 (Space Weather) ， 指的是太阳、太阳风、磁层、电离层和热层的状况可以 影响天基和地基技术系统的运行和可靠性，危及人类的 健康和生命；恶劣的空间环境会引起卫星运行、通讯、 导航和输电网的事故，造成社会经济损失。

13. 2007 年 4 月 空间物理 13 太阳内部和太阳大气 太阳内部 内核 辐射区 对流区 太阳大气 光球层 色球层 ( 过渡区 ) 日冕

14. 2007 年 4 月 空间物理 14 太阳的温度 Core - Photosphere – Chromosphere – Transition region – Corona 4,500 o C 1,000,000 o C 15,000,000 o C20,000 o C

15. 2007 年 4 月 空间物理 15 太阳大气 日冕 corona 光球层 photosphere 色球层 chromosphere 过渡区 transition region

16. 2007 年 4 月 空间物理 16 什么是太阳日冕？ 日冕是太阳的最外层大气，在日食期间或用日冕仪可 以看到。从日面附近延伸到几个太阳半径或更远。 1991 1999

17. 2007 年 4 月 空间物理 17 太阳活动周 … The current solar cycle (no. 23) 29.5.199628.3.2001

18. 2007 年 4 月 空间物理 18 极紫外日面积分通量 SEM (CELIAS) on SOHO VIRGO on SOHO: 太阳总辐照度 地球上总的辐照度变化不超过 0.1 %! 但是，紫外通量的变 化是呈倍数的！ 太阳辐照度随活动周的变化

19. 2007 年 4 月 空间物理 19 低日冕磁场约束等离子体形成可见磁环 emission lines of Fe IX / X (17.1 nm)  10 6 K 9. November 2000 be careful: light  magnetic field Transition Region And Coronal Explorer (TRACE), NASA ~ 70 000 km ~ 0.1 R 

20. 2007 年 4 月 空间物理 20 太阳风和行星际空间 高速太阳风 低速太阳风 冕洞

21. 2007 年 4 月 空间物理 21 行星际空间

22. 2007 年 4 月 空间物理 22 地球空间（ Geospace ） 太阳风 弓激波

23. 2007 年 4 月 空间物理 23 The most famous and mostly researched shock is the bow shock standing in front of the Earth as result of the interaction of the magnetosphere with the supersonic solar wind, with a high Machnumber, M F  8. Solar wind density and field jump by about a factor of 4 into the magnetosheath. 弓激波

24. 2007 年 4 月 空间物理 24 地球磁层的三维结构 极尖区 太阳风 行星际磁场 磁层顶

25. 2007 年 4 月 空间物理 25 极 光（ Aurora)

26. 2007 年 4 月 空间物理 26 地球大气分层 对流层 平流层 中间层 热层 中性层 电离层 磁层

27. 2007 年 4 月 空间物理 27 无线电波在电离层中的反射

28. 2007 年 4 月 空间物理 28 地球辐射带

29. 2007 年 4 月 空间物理 29 空间等离子体物理 等离子体物理  微观理论  动力学理论  分布函数 宏观理论，磁流体力学  流体力学  磁场 粒子，波，波 - 粒子相互作用，不稳定性

30. 2007 年 4 月 空间物理 30 Schematic topography of solar-terrestrial environment

31. 2007 年 4 月 空间物理 31 空间天气学 Xiong, M., H. Zheng, Y. Wang, and S. Wang (2006), J. Geophys. Res., 111, A08105, doi:10.1029/2006JA011593. Xiong, M., H. Zheng, Y. Wang, and S. Wang (2006), J. Geophys. Res., 111, A11102, doi:10.1029/2006JA011901.

32. 2007 年 4 月 空间物理 32 对空间天气的认识 随着高新科技迅速发展和保障人类生存环境的迫切需求， 20 世纪 90 年代以来，空间天气研究日益受到人们重视。 美国和我国的卫星故障中有 40% 与空间灾害性天气有关。 电离层状态的快速变化，可引起通信质量下降甚至中断。 1989 年 3 月 13 日凌晨，强磁暴产生的强感应电流使得加拿大魁北 克水电站变压器损坏，电网瘫痪， 600 万居民停电 9 小时，直接经 济损失 5 亿美元。 1995 年美国发表 “ 美国国家空间天气战略计划 ” ，随后 10 多个国家 纷纷制定了相应计划，成立了相关的管理机构。

33. 2007 年 4 月 空间物理 33 美国国家空间天气计划

34. 2007 年 4 月 空间物理 34 什么是空间天气 “ 空间天气 ” 是指太阳、太阳风、磁层、电离层和热层的状况。 它可影响天基和地基技术系统的运行和可靠性，危及人类的健 康和生命。恶劣的空间环境会引起卫星运行、通讯、导航和输 电网的事故，造成社会经济损失。（摘自 “ 美国国家空间天气计 划 ” ） 空间天气是一门正迅速发展的将日地物理科学与地面和空间技 术应用紧密相结合的学科。（美国空间天气工作组主席 H.Koskinen) 空间天气计划集探测、研究、预报和应用之大成，将空间各层 次视为一个整体系统，分析和预报太阳爆发现象引起行星际空 间和地球空间环境灾害性事件的演化规律，尽量减少其对空间 和地面技术系统的影响，保障人类生存的安全。

35. 2007 年 4 月 空间物理 35 从太阳大气到近地空间扰动的因果链 的变化（艺术构想） 在统计观测的基础上，构想出的一次完整的空间天气活动

36. 空间探测 天基 ( 卫星平台 )+ 地基（观测台站） 空间探测的内容： 地球空间探测 太阳及日地行星际空间探测 行星（包括其卫星）及日球层探测

37. 2007 年 4 月 空间物理 37 人造卫星上天标志着空间时代的到来 前苏联第一颗人 造卫星 Sputnik 1 1957 年 10 月 4 日

38. 2007 年 4 月 空间物理 38 空间研究计划 自 20 世纪 80 年代以来，人们越来越认识到必须 将日地系统作为一个整体来研究，才能深入了解 各圈层的完整图像和物理过程、各圈层之间的耦 合机制和传输过程，必须加强各国和各学科科学 家之间的合作，实施一系列国际性的合作研究计 划。如正在开展的 “ 国际与星同在 ” 计划 （ International Living with Star ）等。