空間天氣學(xué)

前言

　　空間天氣學(xué)是研究各種空間天氣現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展和變化規(guī)律，以及如何運(yùn)用這些規(guī)律來進(jìn)行空間天氣預(yù)報(bào)的一門學(xué)科。同時(shí)，空間天氣學(xué)還研究各種空間天氣效應(yīng)，以及避免和減輕空間天氣災(zāi)害的方法和途徑。　　空間天氣學(xué)是在太陽物理學(xué)、行星際物理學(xué)、磁層物理學(xué)、電離層物理學(xué)、高層大氣物理學(xué)和氣象學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興交叉學(xué)科，國(guó)外常用“science of space weather”來表示這門學(xué)科。一般認(rèn)為，空間天氣學(xué)是一門應(yīng)用科學(xué)，但更確切地說，它是由純粹科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)的交叉而形成的一門科學(xué)。　　我是在1994年開始研究空間天氣學(xué)的。使我對(duì)空間天氣產(chǎn)生濃厚興趣，并下決心鉆研的是G.Soscoe等發(fā)表在EOS Trans（1994年8月2日）上的一篇論文。這篇文章深入淺出地論述了開展空間天氣研究的意義、方針和措施；從氣象業(yè)務(wù)中可借鑒的經(jīng)驗(yàn)；空間物理學(xué)與空間天氣研究的關(guān)系等，整篇文章給人以耳目一二新的感覺。正是在這篇文章的啟發(fā)下，我開始收集有關(guān)空間天氣的資料，并于1995年分別在北京大學(xué)地球物理學(xué)系學(xué)生會(huì)舉辦的“天·地·人文化月”報(bào)告會(huì)、北京市地球物理學(xué)會(huì)年會(huì)和中國(guó)地球物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，做了關(guān)于空間天氣的報(bào)告。1996年，北京大學(xué)空間物理學(xué)專業(yè)率先在國(guó)內(nèi)為研究生開設(shè)了“空間天氣學(xué)”課程。1998年初，北京大學(xué)使用了由我編寫的講義《空間天氣學(xué)》。同年5月，國(guó)家基金委地學(xué)部和北京大學(xué)聯(lián)合舉辦了空間天氣學(xué)講習(xí)班，這個(gè)講義在講習(xí)班中發(fā)揮了重要作用。由于空間天氣學(xué)發(fā)展迅速，涉及的學(xué)科領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，許多部門希望能系統(tǒng)地了解空間天氣學(xué)的內(nèi)容，而北京大學(xué)發(fā)行的《空間天氣學(xué)》講義早已銷售一空，況且內(nèi)容也需要充實(shí)和更新。因此，在2001年全國(guó)第四次空間天氣學(xué)研討會(huì)期間，南京大學(xué)方成院士鼓勵(lì)我正式出版《空間天氣學(xué)》。在方院士的鼓勵(lì)下，我開始修訂原來的講義。

內(nèi)容概要

空間天氣學(xué)是應(yīng)用廣泛的一門新興交叉學(xué)科，本書系統(tǒng)地介紹了空間天氣學(xué)研究的內(nèi)容和最新進(jìn)展。全書共分五章，第一章是概論，主要介紹了空間天氣學(xué)的基本概念。第二章是太陽大氣與行星際天氣，重點(diǎn)介紹太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射、太陽能量粒子事件和行星際激波。第三章介紹地球空間天氣系統(tǒng)與天氣過程以及太陽活動(dòng)影響氣象過程的可能機(jī)制。第四章介紹空間天氣對(duì)各種技術(shù)系統(tǒng)的效應(yīng)。第五章介紹了空間天氣建模和預(yù)報(bào)的基本情況和典型模式及預(yù)報(bào)方法。    本書可作為高等院?？臻g物理學(xué)、空間環(huán)境學(xué)和大氣環(huán)境學(xué)等相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的教材，也可作為空間科學(xué)、大氣科學(xué)、天文學(xué)、環(huán)境科學(xué)、航天、通訊、軍事、國(guó)防等部門研究人員和業(yè)務(wù)人員的參考用書。

書籍目錄

前言第一章 概論 1.1 空間天氣及其效應(yīng) 1.2 新興的交叉學(xué)科——空間天氣學(xué)第二章 太陽大氣與行星際天氣 2.1 概論 2.2 強(qiáng)電磁輻射型天氣——耀斑 2.3 強(qiáng)的物質(zhì)噴發(fā)型天氣——CME 2.4 太陽能量粒子事件（SEP) 2.5 太陽活動(dòng)的長(zhǎng)期變化 2.6 行星際天氣第三章 地球空間的天氣系統(tǒng)與天氣過程  3.1 地球空間的天氣系統(tǒng)概述 3.2 地球空間的主要天氣系統(tǒng) 3.3 電離層與熱層天氣 3.4 空間天氣與對(duì)流層天氣第四章 空間天氣效應(yīng) 4.1 空間天氣對(duì)航天器的效應(yīng) 4.2 航天器表面充電 4.3 航天器內(nèi)部充電 4.4 單粒子事件 4.5 輻射效應(yīng) 4.6 電離層天氣對(duì)通訊、導(dǎo)航和定位的效應(yīng) 4.7 地磁場(chǎng)變化對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的效應(yīng) 4.8 高層大氣變化對(duì)航天器的影響 4.9 微流星與空間碎片對(duì)航天器的影響 4.10 人工局部改變天氣及其在軍事上的應(yīng)用第五章 空間天氣建模與預(yù)服 5.1 空間天氣建模 5.2 空間天氣預(yù)報(bào)英文縮寫與中文意義對(duì)照主題詞索引

章節(jié)摘錄

　　與空間天氣直接有關(guān)的區(qū)域巨大而又復(fù)雜，空間科學(xué)所有傳統(tǒng)領(lǐng)域都與空間天氣的研究有關(guān)。例如，行星際大氣和磁層的研究，在加深我們對(duì)支配地球環(huán)境的基本物理過程的理解方面是很重要的。類似的，等離子體和化學(xué)反應(yīng)率的實(shí)驗(yàn)室研究，有助于提高我們觀測(cè)和了解空間各種現(xiàn)象的能力?！　】臻g天氣變化開始在太陽表面。太陽是影響地球的電磁輻射和粒子輻射的能源。太陽活動(dòng)性改變了太陽的輻射和粒子輸出，在近地空間環(huán)境中以及地球表面產(chǎn)生相應(yīng)的變化。就空間天氣效應(yīng)而言，最有影響的事件是太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射。雖然太陽輻射的長(zhǎng)期變化不會(huì)產(chǎn)生明顯的空間天氣效應(yīng)，但它在幫助我們了解短期變化幕后的潛在效應(yīng)方面是很重要的.太陽輻射輸出的變化通過原子和分子的激發(fā)和電離直接影響高層大氣和電離層的狀態(tài)。太陽的粒子發(fā)射包括高能粒子和組成太陽風(fēng)的低能粒子。粒子和場(chǎng)在從太陽外流時(shí)不斷變化，特別是它們與行星際激波相互作用時(shí)。　　太陽風(fēng)從太陽向外流動(dòng)并撞擊地球。太陽風(fēng)的等離子體和磁場(chǎng)與地球的大氣層和地磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生淚珠狀的、被稱為磁層的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域的表面，即磁層頂，在太陽向是5～10個(gè)地球半徑，而在反太陽向擴(kuò)展到月球軌道之外。磁層頂被認(rèn)為是一個(gè)屏障，它防止除太陽風(fēng)攜帶的－小部分能量之外的所有能量進(jìn)入磁層。在正常條件下，這個(gè)能量以磁層粒子和場(chǎng)的形式存儲(chǔ)，但在一定條件下，它脈動(dòng)式地釋放到地球的大氣層。能量的脈動(dòng)式釋放歸因于磁層亞暴。它表現(xiàn)為明亮的、變化的極光和強(qiáng)的電離層電流。在亞暴期間，磁層的磁場(chǎng)突然呈現(xiàn)新的位形，接著是長(zhǎng)達(dá)許多小時(shí)的恢復(fù)時(shí)問?！　啽┟枋隽舜艑訉?duì)太陽風(fēng)激勵(lì)源相對(duì)短的響應(yīng)，而地磁暴是對(duì)由強(qiáng)的、長(zhǎng)時(shí)間（幾天到幾周）南向的行星際磁場(chǎng)的響應(yīng)。這個(gè)狀態(tài)產(chǎn)生相當(dāng)大的環(huán)電流能量，因此，在低地磁緯度產(chǎn)生很大的地磁起伏。磁層粒子沉降到極蓋，加熱中性大氣并激發(fā)電離層擾動(dòng)。太陽風(fēng)狀態(tài)返回到未受擾動(dòng)情況后，磁層和電離層需要幾小時(shí)或幾天才能恢復(fù)到原來狀態(tài)。　　由于地球的磁場(chǎng)穿過磁層，大多數(shù)磁層過程通過某種方式與電離層和熱層性質(zhì)的變化聯(lián)系在一起。例如，電流、極光發(fā)射、摩擦加熱、電離和閃爍。所有這些現(xiàn)象都是近地空間天氣的組成單元。這些效應(yīng)也受源于低高度的過程影響，例如重力波以及來自太陽輻射和宇宙線的直接能量沉降?？臻g天氣效應(yīng)也包括在地表面感應(yīng)的電流，它是電離層電流變化的結(jié)果。　　以上粗略地描繪了空間天氣產(chǎn)生和變化的一般圖像。歸根結(jié)底，空間不是空的，太陽不是穩(wěn)定的，空間環(huán)境對(duì)不斷變化的太陽的響應(yīng)就構(gòu)成了空間天氣。

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